Os buracos negros deveriam, em teoria, crescer de forma lenta e gradual. Durante muito tempo, os investigadores defenderam que as primeiras “sementes” de buracos negros apareciam quando estrelas muito massivas morriam no interior de galáxias já formadas.
Depois, ao longo de milhares de milhões de anos, esses objectos ir-se-iam tornando maiores ao fundirem-se entre si e ao alimentarem-se do gás e de outros materiais em redor, até chegarem aos colossos supermassivos observados no Universo actual.
No entanto, um objecto invulgar do Universo primordial está a levar a comunidade científica a reavaliar essa narrativa.
Buracos negros que já nasceram enormes
Com o Telescópio Espacial James Webb (JWST), da NASA, astrónomos reuniram fortes indícios de que alguns buracos negros supermassivos poderão ter sido gigantes desde o início.
Ou seja, talvez não tenham precisado de sucessivas gerações de estrelas para “construir” a sua massa. De facto, há um buraco negro supermassivo que parece ter existido antes de haver uma galáxia propriamente dita formada à sua volta.
Este resultado reaviva uma das questões mais antigas da astrofísica: o que surgiu primeiro, a galáxia ou o buraco negro?
“Esta é uma descoberta notável”, afirmou Roberto Maiolino, da Universidade de Cambridge. “É uma mudança de paradigma, uma revisão total dos cenários clássicos sobre como os buracos negros se formam e crescem.”
Um objecto minúsculo com um segredo gigante
No centro desta descoberta está um objecto designado Abell2744-QSO1, ou simplesmente QSO1. Ele integra um conjunto enigmático a que os astrónomos chamam Pequenos Pontos Vermelhos.
À escala das galáxias, estes objectos são diminutos. O QSO1 estende-se por apenas cerca de 1.300 anos-luz. Em comparação, a Via Láctea tem aproximadamente 100.000 anos-luz de diâmetro.
Apesar disso, tudo indica que o QSO1 alberga um buraco negro com uma massa de cerca de 50 milhões de vezes a massa do Sol.
Buracos negros no Universo primitivo
O que torna o caso ainda mais surpreendente é a sua antiguidade. Os cientistas observam o QSO1 tal como era apenas 700 milhões de anos após o Big Bang - um instante muito precoce em termos cosmológicos.
O Telescópio Espacial James Webb já identificou milhares de buracos negros massivos no Universo primordial.
A dificuldade é que os modelos padrão têm problemas em justificar como puderam atingir massas tão elevadas tão depressa. Se tivessem crescido a partir de remanescentes de estrelas mortas, o processo deveria ter demorado muito mais.
Agora, o QSO1 reforça uma hipótese alternativa: talvez alguns buracos negros não tenham começado pequenos.
Estudar o gás em redor de um buraco negro
O avanço decisivo veio da análise do gás em movimento à volta do buraco negro.
A equipa recorreu ao espectrógrafo no infravermelho próximo do Webb, o NIRSpec, para cartografar o movimento do gás de hidrogénio que envolve o objecto.
Em vez de um padrão desordenado, o gás apresentava uma rotação orbital limpa, conhecida como movimento kepleriano - o mesmo tipo de comportamento básico observado quando os planetas orbitam o Sol.
“Isto é importante porque nos diz que a maior parte da massa do QSO1 está concentrada no buraco negro no centro”, explicou Ignas Juodžbalis, estudante de pós-graduação em Cambridge que participou no estudo.
“Se a massa estivesse mais distribuída, como aconteceria se existissem muitas estrelas, o gás não exibiria esta rotação kepleriana perfeita.”
Medir a massa do buraco negro
Estas observações permitiram obter a primeira medição directa da massa de um buraco negro num objecto visto com menos de mil milhões de anos após o Big Bang.
“Até agora, todas as medições de massa de buracos negros no Universo primitivo foram indirectas, baseadas em pressupostos derivados do que sabemos sobre eles no Universo local”, disse o co-autor do estudo Francesco D’Eugenio.
“Não sabíamos se esses pressupostos se aplicavam realmente ao Universo distante.”
Os resultados indicam que o buraco negro representa, pelo menos, dois terços da massa total do objecto.
Em galáxias próximas, os buracos negros correspondem normalmente a uma fracção muito pequena da massa galáctica. Este desequilíbrio sugere que a própria galáxia mal existia ainda.
Quase sem sinais de estrelas
O gás em torno do QSO1 trouxe também uma outra surpresa.
Os astrónomos concluíram que é composto quase exclusivamente por hidrogénio e hélio, os dois elementos mais simples formados após o Big Bang. Elementos mais pesados, como o oxigénio, eram praticamente inexistentes.
Isto é relevante porque são as estrelas que, com o tempo, produzem elementos mais pesados. Uma galáxia madura, rica em estrelas, deveria apresentar muito mais desses elementos.
Em vez disso, o QSO1 parece extremamente “pristino”. A sua metalicidade - a abundância de elementos mais pesados - é inferior a 0,5% da do Sol.
“Este é um resultado fenomenal”, disse Maiolino. “É a primeira medição directa da massa de um buraco negro dentro do primeiro milhar de milhões de anos após o Big Bang, e é consistente com as medições anteriores.”
A ausência de vestígios associados a formação estelar sustenta a ideia de que este buraco negro não cresceu lentamente no interior de uma galáxia já desenvolvida. É possível que tenha surgido primeiro e só mais tarde tenha começado a formar uma galáxia à sua volta.
Um tipo diferente de nascimento de buraco negro
Há muito que os cientistas discutem se buracos negros gigantes poderiam aparecer por um caminho totalmente distinto.
Uma das hipóteses propõe os “buracos negros de colapso directo”: em vez de se originarem a partir de estrelas mortas, grandes nuvens de gás poderiam colapsar directamente, dando origem a buracos negros muito massivos.
Outra possibilidade aponta para “buracos negros primordiais”, que poderão ter-se formado nas condições violentas imediatamente após o Big Bang.
Até ao momento, havia pouca evidência directa para qualquer uma destas ideias.
“Parece que encontrámos um buraco negro que não tem uma galáxia hospedeira substancial e que antecedeu os processos estelares”, afirmou Juodžbalis.
“Isto é muito entusiasmante porque é evidência de buracos negros primordiais ou de buracos negros de colapso directo, que têm sido teorizados mas não confirmados.”
Direcções para investigação futura
A equipa está agora a analisar mais Pequenos Pontos Vermelhos para perceber se o QSO1 é um caso raro ou se faz parte de uma população muito maior, escondida no Universo primordial.
Se muitos destes objectos forem, afinal, buracos negros que se formaram antes das galáxias, os astrónomos poderão ter de reescrever um capítulo central da evolução cósmica.
Durante décadas, assumiu-se que as galáxias eram as “construtoras” de buracos negros. O QSO1 sugere que esta relação poderá ter funcionado no sentido inverso.
A investigação foi publicada na revista Nature.
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