Astrônomos do MIT e de outras instituições identificaram um objeto vermelho excepcionalmente brilhante do universo primitivo. À primeira vista, parece uma estrela gigante com dimensões comparáveis ao nosso sistema solar. No entanto, a sua produção de energia é extraordinária. Este objeto está a produzir cerca de 100 mil milhões de vezes mais energia do que qualquer estrela conhecida pode produzir fisicamente, aproximando a sua potência dos níveis associados aos buracos negros.
Esta combinação invulgar levou os investigadores a propor que o objeto vermelho representa um tipo inteiramente novo de fonte astrofísica. Eles estão chamando isso de “Estrela do Buraco Negro”.
Um estudo publicado em 12 de agosto Natureza O objeto é descrito e observações feitas com o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA foram analisadas pela equipe. O telescópio detectou um ponto vermelho brilhante no início do universo, apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang.
Um buraco negro escondido dentro de uma estrela gigante em forma de casulo
Os pesquisadores dizem que a explicação mais provável é uma combinação até então desconhecida de um buraco negro e uma estrela. Em vez de ser alimentado pela fusão nuclear que alimenta estrelas normais, o objeto pode ser composto por uma nuvem extremamente densa de gás ativada por um buraco negro no seu centro.
“A nossa imagem deste objeto está a evoluir muito rapidamente”, diz o autor principal Rohan Naidu, bolseiro do Hubble da NASA e bolseiro Pappalardo do Instituto Kavli de Astrofísica e Investigação Espacial (MKI) do MIT. “Achamos que existe um buraco negro central que é 100.000 vezes mais massivo que o Sol. E em torno deste buraco negro, haverá um envelope muito extenso de gás que se parece com uma estrela do tamanho do Sistema Solar. É enorme.”
Se a interpretação estiver correta, a descoberta também poderá ajudar a explicar os misteriosos “pequenos pontos vermelhos” que aparecem em quase todas as imagens do espaço profundo obtidas pelo JWST.
“Estes pequenos pontos vermelhos parecem estar por toda parte no universo primitivo, mas essencialmente desapareceram até hoje”, diz Naidu. “O que exatamente são esses objetos tem sido um dos tópicos mais debatidos da era JWST.”
Os co-autores do estudo do MIT são o Diretor do MKI, Robert Simko, Professor de Física Experimental Bruno B. Rossi é professor; e Wendy Sun ’26, juntamente com pesquisadores de diversas outras instituições.
Uma descoberta inesperada no universo primitivo
Naidu e seus colegas não procuravam originalmente uma estrela de buraco negro. O seu objetivo era identificar algumas das galáxias mais antigas e mais distantes através de um levantamento chamado “Mirage or Miracle” (MOM). Usando o JWST, eles observaram as profundezas do espaço e, portanto, muito atrás no tempo, observando uma época em que o universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos. Eles queriam determinar quais galáxias realmente se formaram tão rapidamente.
“O aparecimento de tantas galáxias brilhantes numa época tão precoce tem sido um enigma,” diz Naidu. “O que descobrimos foi que o que parece ser uma galáxia primitiva extremamente brilhante, também conhecida como um ‘milagre’, pode, em alguns casos, ser na verdade uma ‘miragem’.”
Ao pesquisar imagens do JWST em busca de alvos promissores, a equipe notou uma fonte que parecia particularmente incomum. Parecia intensamente vermelho e notavelmente brilhante.
“Quando vemos algo muito vermelho no Universo, muitas vezes assumimos que está rodeado de poeira, como fuligem ou cinzas”, explica Simko. “Assim como a fumaça dos recentes incêndios florestais no Canadá tornou o céu vermelho brilhante sobre Boston, os objetos celestes também podem parecer mais vermelhos do que sua cor intrínseca quando você os vê através de uma cortina de poeira”.
Mas outras características do objeto à luz não estavam de acordo com o que os cientistas normalmente esperam da poeira. Os pesquisadores também encontraram um padrão surpreendente em seu espectro. A fonte era extremamente brilhante em alguns comprimentos de onda, mas a sua luz desapareceu completamente abaixo de alguns comprimentos de onda.
Um freio balmer recorde
Esta queda repentina na luz é conhecida como “quebra de Balmer”. Esta característica está geralmente associada a fótons densos que absorvem gás nas atmosferas de estrelas com algumas centenas de milhões de anos de idade. Vega, uma das estrelas mais brilhantes visíveis no céu noturno, apresenta o mesmo tipo de padrão.
“A ruptura que observámos neste objecto é a ruptura mais profunda alguma vez observada em qualquer objecto cuja fonte tenha sido descartada como sendo estrelas ‘normais’,” diz Naidu. “Mas isso fez-nos pensar se estávamos a ver um novo tipo de ‘atmosfera estelar’, mas numa escala fantástica.”
O objeto era incomum em outro aspecto importante. À sua luz, quase não havia evidência de metais ou elementos além do hidrogênio e do hélio.
“Foi realmente único em muitos aspectos”, diz Naidu.
Testando o que um objeto tão vermelho poderia se tornar
Para determinar o que pode estar causando a aparência incomum do objeto, os pesquisadores simularam vários cenários astrofísicos possíveis e os compararam com o que o JWST observou.
“Começamos a perguntar: é possível fazer algo tão vermelho usando apenas hidrogênio, sem poeira?” Simko diz. “Para nossa surpresa, descobrimos que isso pode ser feito se tivermos uma tela extremamente densa de hidrogênio, tão densa que se parece mais com a superfície de uma estrela gigante do que com uma fina nebulosa interestelar.”
Simulações sugeriram que a Fonte Vermelha pode conter uma fonte de energia extremamente poderosa escondida dentro de um casulo muito denso de hidrogênio. Tal estrutura pode explicar a forte ruptura de Balmer e o facto de os investigadores terem encontrado pouco mais do que hidrogénio e hélio.
No entanto, um grande mistério permaneceu. A explicação ainda teve que levar em conta o extraordinário brilho do objeto.
“Temos algo que se parece um pouco com uma estrela, mas é 100 mil milhões de vezes mais brilhante”, diz Naidu. “Isso significa que você não pode energizá-lo por meio da fusão nuclear, que é a fonte de energia que está no coração de todas as nossas estrelas.”
Um buraco negro gigante fornece energia que falta
Os buracos negros podem gerar energia em níveis enormes, conforme detectado pelos pesquisadores. Assim, a equipe adicionou um buraco negro ativo e crescente à simulação do denso casulo de hidrogênio. Eles ajustaram a massa do buraco negro e outras propriedades, depois compararam o brilho simulado com as medições do ponto vermelho do JWST.
As melhores correspondências apontaram para uma estrela de buraco negro como a explicação mais provável.
De acordo com o modelo da equipe, o objeto possui um buraco negro central com massa cerca de 100 mil vezes a do Sol. É cercado por uma camada de hidrogênio extremamente densa, semelhante a uma estrela, que se estende quase pelo tamanho do Sistema Solar.
Os pesquisadores batizaram o objeto de MoM-BH*-1 em homenagem ao levantamento em que foi encontrado. Eles também o apelidaram de “Black Hole Star – One”, sugerindo que pode ser o primeiro exemplo de uma população em massa.
As estrelas dos buracos negros poderiam explicar os minúsculos pontos vermelhos do JWST?
Os investigadores suspeitam que as estrelas dos buracos negros podem ser responsáveis por muitos dos outros pequenos pontos vermelhos vistos nas imagens do JWST. Eles não são tão brilhantes quanto a fonte MoM-BH*-1, mas podem compartilhar a mesma composição básica.
“Cada pequeno ponto vermelho é consistente com uma estrela de buraco negro, inserida numa típica galáxia primitiva,” diz Naidu. “Mas o que há de especial em MoM-BH*-1 é que a estrela do buraco negro está essencialmente ofuscando completamente a sua galáxia hospedeira circundante, como se estivéssemos vendo luz de uma estrela pura de buraco negro.”
Se esta interpretação estiver correta, MoM-BH*-1 poderá fornecer uma pista importante para um dos mistérios mais controversos que emergiu da era JWST, bem como revelar um tipo de objeto cósmico que os astrónomos nunca tinham observado diretamente antes.
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Departamento de Física do MIT, pela NASA e pelo Space Telescope Science Institute.
