No verão de 2022, poucas semanas depois de o Telescópio Espacial James Webb (JWST) ter começado a fornecer as suas primeiras imagens científicas, os astrónomos notaram um padrão inesperado: pequenos pontos vermelhos espalhados pelas novas observações. Esses objetos muito compactos e distintamente vermelhos apareceram com notável clareza graças à sensibilidade do JWST e eram muito mais numerosos do que o esperado. A sua descoberta sugere a presença de uma população inteiramente nova de fontes celestes distantes que o Telescópio Espacial Hubble não foi capaz de detectar. Essa limitação é compreendida. Na astronomia, chamar algo de “muito vermelho” significa que o objeto emite a maior parte de sua luz em comprimentos de onda mais longos. Esses minúsculos pontos vermelhos emitem a maior parte de sua luz em comprimentos de onda superiores a 10 milionésimos de metro no infravermelho médio. O Hubble não consegue observar comprimentos de onda tão longos, enquanto o JWST foi projetado especificamente para alcançá-los.
Os dados de acompanhamento esclareceram que esses objetos estavam extraordinariamente distantes. Mesmo os nossos humanos mais próximos demoraram 12 mil milhões de anos para a luz chegar. Como olhar através do espaço é também olhar para trás no tempo, vemos objetos tal como apareceram há 12 mil milhões de anos, cerca de 1,8 mil milhões de anos após o Big Bang.
As primeiras teorias apontam para galáxias jovens e massivas
Esta descoberta levanta questões difíceis. Para explicar qualquer observação astronômica, os pesquisadores contam com modelos que descrevem a aparência dos diferentes tipos de objetos. Os astrónomos só conseguem identificar uma estrela com segurança porque pensam nas estrelas como esferas massivas de plasma mantidas unidas pela gravidade, gerando energia através da fusão nuclear. Eles também sabem como as estrelas devem aparecer nas imagens e medições detalhadas de sua luz, conhecidas como espectros. Quando um objeto corresponde tanto à aparência quanto ao espectro, ele pode ser classificado de forma confiável.
Os pequenos pontos vermelhos não se alinhavam com nenhuma categoria conhecida, por isso os astrónomos começaram a considerar explicações mais extremas. Uma proposta inicial sugeria que estes objetos eram galáxias invulgarmente densas, cheias de um grande número de estrelas, cuja cor avermelhada se devia a uma espessa camada de poeira. Para visualizar esta densidade, imagine o sistema solar contido num cubo com um ano-luz em cada direção. Na nossa região do espaço, esse cubo conteria apenas o Sol. Nas galáxias propostas, o mesmo cubo conteria centenas de milhares de estrelas.
Na Via Láctea, apenas o núcleo central tem uma densidade de estrelas remotamente comparável, e essa região ainda contém cerca de um milésimo do número de estrelas necessárias para o modelo do pequeno ponto vermelho. Se estas galáxias realmente formassem aglomerados de estrelas com centenas de milhares de milhões de massas solares menos de mil milhões de anos após o Big Bang, isso desafiaria as teorias fundamentais sobre como as galáxias se formam. O co-autor Bingji Wang (Penn State University) observa: “O céu noturno de tal galáxia seria deslumbrantemente brilhante. Se esta explicação se mantivesse, implicaria que as estrelas se formaram através de processos extraordinários que nunca foram vistos antes.”
Galáxia ou núcleo galáctico ativo? Uma divisão científica
A controvérsia surgiu rapidamente. Alguns pesquisadores eram a favor da ideia de uma galáxia rica em estrelas e com muita poeira, enquanto outros argumentavam que os pequenos pontos vermelhos eram na verdade núcleos galácticos ativos obscurecidos por grandes quantidades de poeira. Núcleos galácticos ativos ocorrem quando o material espirala em direção ao buraco negro central de uma galáxia, criando um disco de acreção extremamente quente. No entanto, esta interpretação também encontrou problemas. O espectro do pequeno ponto vermelho difere significativamente daquele dos conhecidos núcleos galácticos ativos que brilham em poeira. O cenário exigia que estes objetos hospedassem buracos negros supermassivos com massas extremamente grandes, e muito mais do que o esperado, dado o quão pequeno o ponto vermelho foi detectado pelo JWST.
Apesar das diferenças, os astrónomos concordam numa coisa. Eles precisavam de mais informações para resolver o mistério. Os resultados iniciais do JWST ofereciam imagens, mas a física precisava entender os espectros, que revelam a quantidade de luz que os objetos emitem em diferentes comprimentos de onda. Garantir tais observações é um desafio porque o tempo em grandes telescópios é altamente competitivo. Assim que o significado do pequeno ponto vermelho ficou claro, muitas equipes começaram a solicitar observações de tempo. Uma dessas propostas bem-sucedidas é o programa RUBIES, liderado por Anna de Graaf do Instituto Max Planck de Astronomia, um resumo de “Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey”.
A pesquisa RUBIES revela um exemplo extremo
Entre janeiro e dezembro de 2024, a equipe RUBIES usou quase 60 horas do tempo do JWST para coletar espectros de 4.500 galáxias distantes, criando o maior conjunto de dados espectroscópicos do JWST até o momento. De acordo com Raphael Hviding (MPIA), “Nesse conjunto de dados, encontramos 35 pequenos pontos vermelhos. A maioria deles já foi encontrada usando imagens JWST disponíveis publicamente. Mas os que eram novos acabaram sendo os objetos mais extremos e interessantes.” A descoberta mais interessante foi feita em julho de 2024: um exemplo extraordinariamente distante que chamaram de “O Penhasco”, cuja luz viajou 11,9 mil milhões de anos para chegar até nós (desvio para o vermelho z=3,55). Suas propriedades sugerem que é um representante particularmente intenso da população de pequenos pontos vermelhos e, portanto, um objeto importante para testar qualquer teoria sobre eles.
A falésia ganhou esse nome por causa de uma característica dramática em seu espectro. Como normalmente aconteceria na região ultravioleta, o espectro mostrou um aumento muito acentuado. Devido à expansão do universo, esse comprimento de onda foi esticado para cerca de cinco vezes o seu valor original, colocando-o no infravermelho próximo, um processo chamado desvio para o vermelho cósmico. Este aumento repentino é conhecido como “quebra de Balmer”. As quebras de Balmer são observadas em galáxias normais, especialmente naquelas que produzem poucas ou nenhumas estrelas novas, mas são muito mais fracas do que as observadas em The Cliff.
Cada explicação conhecida está sendo testada
A quebra incomumente acentuada de Balmer coloca The Cliff em desacordo com as duas principais explicações para o pequeno ponto vermelho. De Graaf e os seus colegas testaram uma vasta gama de modelos de galáxias e núcleos galácticos activos contra o espectro da matéria, tentando reproduzir as suas propriedades. Todo modelo falhou.
“A natureza extrema do The Cliff nos forçou a voltar à prancheta e criar um modelo completamente novo”, diz Anna de Graaf. Enquanto isso, um estudo de setembro de 2024 realizado por pesquisadores na China e no Reino Unido sugeriu que algumas das características da ruptura de Balmer podem vir de outras fontes além das estrelas. A própria equipe de De Graaf começou a considerar uma ideia relacionada. As quebras de Balmer podem aparecer nos espectros de estrelas jovens, muito quentes e isoladas, bem como em galáxias contendo muitas dessas estrelas. Surpreendentemente, The Cliff se assemelha ao espectro de uma estrela muito quente, e não a uma galáxia inteira.
Surgiu um novo modelo: a estrela do buraco negro (BH)*
Com base nessa ideia, de Graaff e seus colaboradores introduziram um novo conceito ao qual se referiram como “estrela do buraco negro”, escrito como BH*. Neste modelo, o motor central é um núcleo galáctico ativo que contém um buraco negro supermassivo com um disco de acreção, mas em vez de poeira, todo o sistema é coberto por uma espessa camada de gás hidrogénio que avermelha a luz emitida. Os objetos BH* não são estrelas verdadeiras porque não possuem fusão nuclear em seus núcleos. O gás ao seu redor também é muito mais turbulento do que qualquer coisa encontrada na atmosfera normal de uma estrela. No entanto, as condições físicas básicas são comparáveis. O núcleo galáctico ativo aquece o envelope de gás circundante de uma forma semelhante à forma como a fusão aquece as camadas externas de uma estrela, criando uma aparência externa semelhante.
Os modelos apresentados pela equipe servem como prova inicial de conceito. Eles ainda não correspondem perfeitamente aos dados, mas reproduzem as características observadas com mais sucesso do que qualquer modelo anterior. O aumento acentuado no espectro que inspirou o nome The Cliff pode ser explicado por um envelope de gás denso, esférico e turbulento que envolve um núcleo galáctico ativo. Se esta interpretação estiver correta, o penhasco representaria um caso extremo dominado pela estrela do buraco negro central, enquanto os outros pequenos pontos vermelhos conteriam uma mistura variável de luz BH* e luz das estrelas e gás circundantes.
Implicações para o rápido crescimento inicial da galáxia
Se os objetos BH* forem reais, eles poderão ajudar a esclarecer outro enigma de longa data. Trabalhos teóricos anteriores sobre buracos negros de massa intermédia um pouco mais pequenos sugeriram que tal configuração encerrada em gás poderia permitir um crescimento muito rápido de buracos negros no Universo primitivo. O JWST já revelou evidências iniciais de buracos negros invulgarmente massivos. Se as estrelas supermassivas de buracos negros crescerem de forma semelhante, poderão fornecer um novo mecanismo para explicar o rápido crescimento. Ainda não se sabe se os objetos BH* podem conseguir isso, mas se conseguissem, isso afetaria significativamente os modelos da evolução inicial das galáxias.
Mesmo com estas informações promissoras, é necessária cautela. Os resultados são totalmente novos e seguem a prática padrão de relatar trabalhos científicos somente após aceitação por periódicos revisados por pares. Se estas ideias serão amplamente aceites depende de mais evidências recolhidas nos próximos anos.
Mistérios restantes e observações futuras
As novas descobertas marcam um grande passo em frente, oferecendo o primeiro modelo capaz de explicar a quebra extrema de Balmer no The Cliff. Mas também levantam novas questões. Como poderia uma estrela de buraco negro se formar? O que permite que o seu envelope de gás incomum persista por tanto tempo (especialmente porque os buracos negros consomem gás e devem ser reabastecidos de alguma forma)? Como surgem outras características espectrais de The Cliff?
A abordagem dessas questões exigirá modelagem teórica e observações adicionais. A equipe de De Graaff já tem observações de acompanhamento do JWST agendadas para o próximo ano, visando The Cliff e outros Little Red Dots particularmente interessantes.
Estes estudos futuros ajudarão a determinar se as estrelas dos buracos negros desempenharam de facto um papel na formação das primeiras galáxias. A perspectiva é intrigante, mas está longe de ser resolvida.
Antecedentes e equipe de pesquisa
O trabalho aqui descrito por A. de Graaff et al. Aceito para publicação como “Um Rubi Extraordinário: Absorção em Gás Denso em vez de Estrelas Evoluídas, Quebra Extremal de Balmer do Pequeno Ponto Vermelho em z = 3,5” Astronomia e Astrofísica. Um artigo complementar, liderado por Raphael Hviding, apresenta uma amostra mais ampla de pequenos pontos vermelhos da pesquisa RUBIES, publicada na mesma revista sob o título “RUBIES: um censo espectral de pequenos pontos vermelhos – todas as fontes de pontos têm linhas amplas com descontinuidades em forma de V”.
Os pesquisadores envolvidos incluem Anna de Graaf, Hans-Walter Rix e Raphael E. do Instituto Max Planck de Astronomia. Haviding, juntamente com Gabe Brammer (Cosmic Dawn Center), Jenny Green (Princeton University), Ivo Labbe (Swinburne University), Rohan Naidu (MIT), Bingzhi Wang (Penn State University) e outros colaboradores.
