Hubble e a origem dos buracos negros supermassivos

junho 28, 2022

Hubble e a origem dos buracos negros supermassivos

Crédito: NASA, ESA, Garth Illingworth (UC Santa Cruz), Pascal Oesch (UC Santa Cruz, Yale), Rychard Bouwens (LEI), I. Labbe (LEI), Cosmic Dawm Center/Niels Bohr Institute/ Universidade de Copenhague, Dinamarca

Os astrônomos identificaram um buraco negro em rápido crescimento no universo primitivo que é considerado um "elo perdido" crucial entre as jovens galáxias formadoras de estrelas e os primeiros buracos negros supermassivos. Eles usaram dados do Telescópio Espacial Hubble da NASA para fazer essa descoberta.

Até agora, o monstro, apelidado de GNz7q, estava à espreita despercebido em uma das áreas mais bem estudadas do céu noturno - o campo Great Observatories Origins Deep Survey-North (Goods-North).

HUBBLE GOODS NORTH (GOODS-N)

Crédito: NASA, ESA, G. Illingworth (Univ. Califórnia, Santa Cruz), P. Oesch (Univ. Califórnia, Santa Cruz; Univ Yale), R. Bouwens e I. Labbé (Univ. Leiden), e a Equipe Científica

Os dados de arquivo do Hubble da Advanced Camera for Surveys do Hubble ajudaram a equipe a determinar que o GNz7q existia a apenas 750 milhões de anos após o big bang. A equipe obteve evidências de que o GNz7q é um buraco negro recém formado.

O Hubble encontrou uma fonte compacta de luz ultravioleta (UV) e infravermelha. Isso não pode ser causado pela emissão de galáxias, mas é consistente com a radiação esperada de materiais que estão caindo em um buraco negro.

Buracos negros de rápido crescimento em galáxias empoeiradas e formadoras de estrelas são previstos por teorias e simulações de computador, mas não haviam sido observados até agora.

Seiji Fujimoto, astrônomo da Niels Bohr Instituto da Universidade de Copenhague e principal autor do artigo Nature que descreve esta descoberta explica: "Nossa análise sugere que o GNz7q é o primeiro exemplo de um buraco negro em rápido crescimento no núcleo empoeirado de uma galáxia starburst (galáxia de explosão estelar), em uma época próxima ao primeiro buraco negro supermassivo conhecido no universo.", "As propriedades do objeto em todo o espectro eletromagnético estão em excelente acordo com as previsões de simulações teóricas" disse ele.

Um dos mistérios pendentes na astronomia hoje é: como os buracos negros supermassivos, pesando milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, se tornaram tão grandes tão rápido?

As teorias atuais preveem que os buracos negros supermassivos começam suas vidas envoltos de poeira nos núcleos de galáxias "starburst", vigorosas formadoras de estrelas, antes de expelir o gás e a poeira circundantes e emergir como quasares extremamente luminosos. Embora extremamente raras, tanto essas galáxias empoeiradas quanto os quasares luminosos foram detectados no início do universo.

A equipe acredita que o GNz7q pode ser um elo perdido entre essas duas classes de objetos. O GNz7q tem exatamente os dois aspectos da galáxia empoeirada e do quasar, onde a luz do quasar mostra a cor avermelhada da poeira.

Além disso, o GNz7q carece de várias características que geralmente são observadas em quasares típicos e muito luminosos (correspondentes à emissão do disco de acreção do buraco negro supermassivo), o que provavelmente explica que o buraco negro central em GN7q ainda está em uma fase jovem e menos massiva. Essas propriedades combinam perfeitamente com o jovem quasar em fase de transição que foi previsto em simulações, mas nunca identificado no universo de redshift similarmente alto como os quasares muito luminosos até agora identificados com um redshift* de 7,6.

"O GNz7q fornece uma conexão direta entre essas duas populações raras e um novo caminho para entender o rápido crescimento de buracos negros supermassivos nos primeiros dias do universo", continuou Fujimoto. "Nossa descoberta fornece um exemplo de precursores dos buracos negros supermassivos que observamos em épocas posteriores."

Embora outras interpretações dos dados da equipe não possam ser completamente descartadas, as propriedades observadas do GNz7q estão em forte concordância com as previsões teóricas. A galáxia hospedeira do GNz7q está formando estrelas a uma taxa de 1,600 massas solares por ano, e o próprio GNz7q parece brilhante em comprimentos de onda UV, mas muito fraco em comprimentos de onda de raios-X.

Geralmente, o disco de acreção de um buraco negro maciço deve ser muito brilhante tanto na luz UV quanto na luz de raios-X. Mas desta vez, embora a equipe tenha detectado luz UV com o Hubble, a luz de raios-X era invisível mesmo com um os conjuntos de dados de raios-X mais profundos.

Esses resultados sugerem que o núcleo do disco de acreção onde os raios-X se originam, ainda está obscurecido; enquanto a parte externa do disco de acreção, onde se origina a luz UV, está se tornando desobstruída. Esta interpretação é que o GNz7q é um buraco negro em rápido crescimento ainda obscurecido pelo núcleo empoeirado da galáxia hospedeira formadora de estrelas.

"GNz7q é uma descoberta única que foi encontrada bem no centro de um campo do céu famoso e bem estudado - mostrando assim que grandes descobertas muitas vezes podem estar escondidas bem na sua frente", comentou Gabriel Brammer, outro astrônomo do Instituto Niels Bohr. da Universidade de Copenhague e membro da equipe por trás desse resultado. "È improvável que a descoberta do GNz7q dentro da área de pesquisa relativamente pequena GOODS-North tenha sido apenas 'sorte', mas sim que a prevalência de tais fontes pode de fato ser significativamente maior do que se pensava anteriormente."

Encontrar o GNz7q escondido à vista de todos só foi possível graças aos conjuntos de dados com vários comprimentos de onda exclusivos e detalhados para o GOODS-North. Sem essa riqueza de dados, o GNz7q teria sido facilmente ignorado, pois ele não possui as características distintivas normalmente usadas para identificar quasares no início do universo.

A equipe agora espera procurar sistematicamente objetos semelhantes usando pesquisas dedicadas de alta resolução e aproveitar os instrumentos espectroscópicos do Telescópio Espacial James Webb da NASA para estudar objetos como o GNz7q em detalhes sem precedentes.

"A caracterização completa desses objetos e a investigação da sua evolução e física subjacente com muito mais detalhes será possível com o Telescópio Espacial James Webb", concluiu Fujimoto. "Uma vez em operação regular, o Webb terá o poder de determinar decisivamente o quão comuns esses buracos negros em rápido crescimento são realmente."

"A caracterização completa desses objetos e a investigação da sua evolução e da física subjacente com muito mais detalhes será possível com o Telescópio Espacial James Webb", concluiu Fujimoto. "Uma vez em operação regular, o Webb terá o poder de determinar decisivamente o quão comuns esses buracos negros em rápidos crescimento são realmente."

Ilustração do buraco negro supermassivo envolto em poeira dentro do núcleo de uma galáxia "starburst" vigorosa formadora de estrelas. Ilustração: NASA, ESA, N. Bartmann

Fonte: NASA.GOV

Créditos: texto original

Ciência: NASA, ESA, Garth Illingworth (UC Santa Cruz), Pascal Oesch (UC Santa Cruz, Yale), Rychard Bouwens (LEI), I. Labbe (LEI), Cosmic Dawm Center/Niels Bohr Institute/Universidade de Copenhague, Dinamarca

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/hubble-sheds-light-on-origins-of-supermassive-black-holes 2. Fonte: ESA/Hubble & NASA Imagem do campo do HUBBLE GOODS NORTH (GOODS-N) Crédito: NASA, ESA, G. Illingworth (Universidade da Califórnia, Santa Cruz), P. Oesch (Universidade da Califórnia, Santa Cruz; Universidade de Yale), R. Bouwens e Labbé (Universidade de Leiden), e a Equipe Científica https://esahubble.org/images/opo1405b/ 3. Fonte: Hubbble Space Telescope Advanced Camera for Surveys do Hubble https://www.nasa.gov/content/hubble-space-telescope-advanced-camera-for-surveys

Nota: *redshift - o deslocamento de linhas espectrais em direção a comprimentos de onda mais longos (a extremidade vermelha do espetro) na radiação de galáxias distantes e objetos celestes. Isso é interpretado como um deslocamento Doppler que é proporcional à velocidade de recessão e, portanto, á distância.

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