JWST observa a fusão de buracos negros mais distante, 740 milhões de anos após o Big Bang

A partir de uma distância de 13 mil milhões de anos-luz, através do abismo do espaço e do tempo, foi agora observada a fusão de buracos negros mais distante alguma vez identificada.

Com recurso ao JWST, uma equipa internacional de astrónomos detetou dois buracos negros supermassivos e as respetivas galáxias a unirem-se numa gigantesca colisão cósmica, apenas 740 milhões de anos após o Big Bang.

A descoberta poderá ajudar a esclarecer a origem dos buracos negros supermassivos e a forma como conseguiram atingir dimensões tão grandes numa fase tão precoce da história do Universo.

"Os nossos resultados indicam que as fusões constituem uma via importante pela qual os buracos negros podem crescer rapidamente, mesmo durante o amanhecer cósmico", afirma a astrónoma Hannah Übler, da Universidade de Cambridge, no Reino Unido.

"Em conjunto com outras descobertas do Webb sobre buracos negros ativos e massivos no Universo distante, os nossos resultados demonstram também que os buracos negros massivos moldaram a evolução das galáxias desde o início."

A origem dos buracos negros supermassivos

Os buracos negros continuam rodeados de enigmas, e a origem dos maiores é um dos mais fascinantes. Os mais pequenos, com até cerca de 65 vezes a massa do Sol, podem ser explicados por supernovas e pelo colapso dos núcleos de estrelas massivas; os ligeiramente maiores poderão resultar de colisões e fusões desses núcleos estelares colapsados.

Em teoria, os buracos negros supermassivos, cuja massa varia entre milhões e milhares de milhões de vezes a do Sol, também poderiam crescer desta forma, através de uma sequência hierárquica de colisões entre buracos negros cada vez maiores. No entanto, esse mecanismo deveria exigir bastante tempo.

O problema é que já foram observados buracos negros muito grandes nos primórdios do Universo, cedo demais para que tivessem conseguido crescer por esta via lenta.

Uma hipótese é que as "sementes" iniciais que deram origem aos buracos negros já fossem enormes. Mesmo que seja esse o caso - algo que parece cada vez mais provável -, é também provável que as colisões e fusões tenham contribuído para aumentar ainda mais estes buracos negros.

Uma das missões do JWST é ajudar a compreender como o Universo se formou após o Big Bang. Para isso, utiliza as suas potentes capacidades de observação no infravermelho para perscrutar o Amanhecer Cósmico - os primeiros mil milhões de anos depois de o Universo ter surgido - com uma resolução sem precedentes. Entre os alvos procurados especificamente por astrónomos e cosmólogos encontram-se os buracos negros supermassivos.

A fusão de buracos negros no sistema ZS7

Num dos seus levantamentos, o telescópio identificou duas galáxias em rota de colisão, um sistema atualmente designado ZS7. No centro de cada galáxia existe um buraco negro supermassivo. Ambos estão a crescer ativamente, um processo que faz brilhar o pó e o gás turbulentos à sua volta.

"Encontrámos indícios de gás muito denso com movimentos rápidos nas proximidades do buraco negro, bem como gás quente e altamente ionizado, iluminado pela radiação energética tipicamente produzida pelos buracos negros durante os seus episódios de acreção", diz Übler.

"Graças à nitidez sem precedentes das suas capacidades de imagem, o Webb permitiu também à nossa equipa separar espacialmente os dois buracos negros."

Os investigadores determinaram que um dos buracos negros tem aproximadamente 50 milhões de massas solares. O outro revelou-se mais difícil de medir, devido à extrema densidade do gás e do pó que o rodeiam, mas deverá ter uma massa semelhante.

Já foram observados outros sistemas deste tipo em períodos mais tardios da história do Universo; de facto, considera-se que as fusões são uma componente bastante importante do crescimento de uma galáxia. Porém, a deteção de um caso tão antigo torna muito plausível o modelo que combina fusões com sementes iniciais de buracos negros maiores.

Ondas gravitacionais e crescimento no Universo inicial

Pensa-se que fusões desta escala produzam um zumbido constante de ondas gravitacionais que ressoa por todo o Universo.

Os comprimentos de onda desse zumbido são demasiado grandes para serem detetados pelos atuais instrumentos de ondas gravitacionais - embora possam ter sido identificados através de pulsares. Ainda assim, ao localizar fusões em curso em diferentes épocas cosmológicas, os cientistas conseguem estimar melhor a frequência com que ocorrem e o seu contributo para o zumbido universal.

"As nossas observações fornecem evidências claras e robustas de um buraco negro massivo envolvido numa fusão com outra galáxia, que provavelmente alberga outro buraco negro em acreção, a z = 7.15, apenas 740 milhões de anos após o Big Bang", escrevem os investigadores.

"De forma geral, os nossos resultados parecem apoiar um cenário de uma fusão iminente de buracos negros massivos no Universo inicial, salientando este processo como outro canal importante para o crescimento precoce dos buracos negros. Juntamente com outras conclusões recentes na literatura científica, isto sugere que a fusão de buracos negros massivos no Universo distante é comum."

A investigação foi publicada na Revista Mensal da Real Sociedade Astronómica.