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Crédito: NASA, ESA, CSA, B. Robertson (Universidade da Califórnia em Santa Cruz), B. Johnson (Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian), S. Tacchella (Universidade de Cambridge), M. Rieke (Universidade do Arizona), D. Eisenstein (Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian)
Olhando profundamente para o espaço e para o tempo, duas equipas recorreram ao Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA para estudar a galáxia excecionalmente luminosa GN-z11, que existia quando o nosso Universo com 13,8 mil milhões de anos tinha apenas cerca de 430 milhões de anos.
Cumprindo a sua promessa de transformar a nossa compreensão do Universo primitivo, o Telescópio Espacial James Webb está a sondar galáxias próximas do início dos tempos. Uma delas é a galáxia excecionalmente luminosa GN-z11, que existia quando o Universo tinha apenas uma pequena fração da sua idade atual. Detetada inicialmente com o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA, é uma das galáxias mais jovens e mais distantes alguma vez observadas, e é também uma das mais enigmáticas. Porque é que é tão brilhante? O Webb parece ter encontrado a resposta.
Uma equipa que estuda GN-z11 com o Webb encontrou a primeira evidência clara de que a galáxia alberga um buraco negro supermassivo central que está a acretar matéria rapidamente. A descoberta faz deste buraco negro supermassivo ativo o mais distante detetado até à data.
“Encontrámos gás extremamente denso, o que é comum na vizinhança de buracos negros supermassivos que estão a acretar gás”, explicou o investigador principal Roberto Maiolino, do Laboratório Cavendish e do Instituto Kavli de Cosmologia da Universidade de Cambridge, no Reino Unido. “Estes foram os primeiros sinais claros de que GN-z11 hospeda um buraco negro que está a devorar matéria.”
Usando o Webb, a equipa encontrou também indícios de elementos químicos ionizados, tipicamente observados perto de buracos negros supermassivos em acreção. Além disso, descobriram que a galáxia está a expelir um vento muito forte. Estes ventos de alta velocidade são tipicamente conduzidos por processos associados a buracos negros supermassivos em acreção vigorosa.
“O instrumento NIRCam (Near-Infrared Camera) do Webb revelou uma componente estendida, traçando a galáxia hospedeira, e uma fonte central e compacta cujas cores são consistentes com as de um disco de acreção em torno de um buraco negro”, disse a investigadora Hannah Übler, também do Laboratório Cavendish e do Instituto Kavli.
Em conjunto, estas evidências mostram que GN-z11 alberga um buraco negro supermassivo com dois milhões de vezes a massa do Sol, numa fase muito ativa de consumo de matéria, razão pela qual é tão luminosa.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Uma segunda equipa, também liderada por Maiolino, usou o NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) do Webb para encontrar um aglomerado de hélio gasoso no halo que rodeia a galáxia GN-z11.
“O facto de não vermos mais nada para além de hélio sugere que este aglomerado deve ser bastante pristino”, disse Roberto. “Isto é algo que era esperado pela teoria e pelas simulações na vizinhança de galáxias particularmente massivas destas épocas – que deveria haver bolsas de gás imaculado sobrevivendo no halo, e que estas podem colapsar e formar enxames estelares de População III.”
Encontrar as até agora desconhecidas estrelas da População III – a primeira geração de estrelas formadas quase inteiramente por hidrogénio e hélio – é um dos objetivos mais importantes da astrofísica moderna. Espera-se que estas estrelas sejam muito massivas, muito luminosas e muito quentes. A sua assinatura seria a presença de hélio ionizado e a ausência de elementos químicos mais pesados que o hélio.
A formação das primeiras estrelas e galáxias marca uma mudança fundamental na história cósmica, durante a qual o Universo evoluiu de um estado escuro e relativamente simples para o ambiente altamente estruturado e complexo que vemos hoje.
Em futuras observações do Webb, Roberto, Hannah e a sua equipa vão explorar a galáxia GN-z11 em maior profundidade e esperam reforçar o caso das estrelas de População III que se podem estar a formar no seu halo.
A investigação sobre o aglomerado de gás imaculado no halo de GN-z11 foi aceite para publicação na revista Astronomy & Astrophysics. Os resultados do estudo do buraco negro de GN-z11 foram publicados na revista Nature no dia 17 de janeiro de 2024.
// ESA (comunicado de imprensa)
// NASA (comunicado de imprensa)
// ESA/Webb (comunicado de imprensa)
// STScI (comunicado de imprensa)
// Artigo científico #1 (arXiv.org)
// Artigo científico #2 (Nature)
// Artigo científico #2 (arXiv.org)
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