JWST detecta um ponto vermelho estranho, então cientistas extremos não conseguem explicar

Os dados de acompanhamento deixaram claro que esses objetos estavam extraordinariamente distantes. Mesmo os que estão mais próximos de nós levaram 12 mil milhões de anos para a sua luz chegar. Como olhar através do espaço é também olhar para trás no tempo, vemos esses 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 levantou questões difíceis. Para interpretar 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 entendem as estrelas como gigantescas esferas de plasma mantidas unidas pela gravidade, gerando energia através da fusão nuclear. Eles também sabem como as estrelas devem aparecer nas imagens e nas medições detalhadas da 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 familiar, por isso os astrónomos começaram a considerar explicações mais extremas. Uma proposta inicial sugeria que estes objetos eram galáxias invulgarmente densas, repletas de um enorme número de estrelas, cuja cor avermelhada era causada por espessas camadas de poeira. Para visualizar esta densidade, imagine colocar o sistema solar dentro de um cubo com um ano-luz de cada lado. Na nossa região do espaço, esse cubo conteria apenas o Sol. Nas galáxias propostas, o mesmo cubo conteria várias centenas de milhares de estrelas.

Na Via Láctea, apenas o núcleo central tem densidades estelares remotamente comparáveis, e essa região ainda contém apenas cerca de um milésimo das estrelas necessárias para os modelos de pequenos pontos vermelhos. Se estas galáxias realmente acumulassem centenas de milhares de milhões de massas solares em estrelas menos de mil milhões de anos após o Big Bang, isso desafiaria as teorias básicas de como as galáxias se formam. Como observa o co-autor Bingjie Wang (Penn State University), “O céu noturno de tal galáxia seria deslumbrantemente brilhante. Se esta interpretação se mantiver, implica que as estrelas se formaram através de processos extraordinários que nunca foram observados antes.”

Galáxias ou núcleos galácticos ativos? Uma divisão científica

O debate surgiu rapidamente. Alguns investigadores 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 realidade núcleos galácticos activos obscurecidos por grandes quantidades de poeira. Núcleos galácticos ativos ocorrem quando o material espirala em direção ao buraco negro central de uma galáxia, formando um disco de acreção extremamente quente. No entanto, esta interpretação também encontrou problemas. Os espectros dos pequenos pontos vermelhos diferiam significativamente dos conhecidos núcleos galácticos ativos avermelhados pela poeira. O cenário também exigia que estes objetos hospedassem buracos negros supermassivos com massas extremamente grandes, e muito mais do que o esperado, considerando quantos pequenos pontos vermelhos o JWST detectou.

Apesar das divergências, os astrónomos concordaram num ponto. Para resolver o mistério, eles precisavam de mais dados. As descobertas iniciais do JWST ofereciam imagens, mas a compreensão da física exigia espectros, que revelam quanta luz os objetos emitem em diferentes comprimentos de onda. Garantir tais observações é um desafio porque o tempo nos grandes telescópios é altamente competitivo. Assim que o significado dos pequenos pontos vermelhos ficou claro, muitos grupos começaram a solicitar tempo de observação. Uma dessas propostas bem-sucedidas foi o programa RUBIES, liderado por Anna de Graaff, do Instituto Max Planck de Astronomia, abreviação 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, produzindo um dos maiores conjuntos de dados espectroscópicos do JWST até agora. De acordo com Raphael Hviding (MPIA), “Nesse conjunto de dados, encontramos 35 pequenos pontos vermelhos. A maioria deles já havia sido encontrada usando imagens JWST disponíveis publicamente. Mas os que eram novos acabaram sendo os objetos mais extremos e fascinantes.” A descoberta mais impressionante ocorreu 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). As suas propriedades sugeriam que era um representante especialmente intenso da população dos pequenos pontos vermelhos e, portanto, um objecto crucial para testar quaisquer teorias sobre eles.

The Cliff ganhou esse nome por causa de uma característica dramática em seu espectro. No que normalmente seria a região ultravioleta, o espectro mostrou um aumento muito acentuado. Devido à expansão do universo, esse comprimento de onda foi esticado para quase cinco vezes o seu valor original, colocando-o no infravermelho próximo, um processo chamado desvio para o vermelho cosmológico. Esse aumento repentino é conhecido como “quebra de Balmer”. As quebras de Balmer aparecem em galáxias comuns, especialmente naquelas que formam poucas ou nenhuma estrela nova, mas são muito mais fracas do que as observadas em The Cliff.

Testando todas as explicações conhecidas

A quebra incomumente acentuada de Balmer colocou The Cliff em desacordo com ambas as principais interpretações para os pequenos pontos vermelhos. De Graaff e seus colegas testaram uma ampla gama de modelos de galáxias e núcleos galácticos ativos contra o espectro do objeto, tentando reproduzir suas características. Todos os modelos falharam.

Anna de Graaff diz: “As propriedades extremas do The Cliff nos forçaram a voltar à prancheta e criar modelos inteiramente novos.” Por volta dessa época, um estudo de setembro de 2024 realizado por pesquisadores da China e do Reino Unido sugeriu que algumas características da ruptura de Balmer poderiam vir de outras fontes além de estrelas. A própria equipe de De Graaff 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. Estranhamente, The Cliff se assemelhava mais ao espectro de uma estrela muito quente do que ao de uma galáxia inteira.

Surge 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 referem como “estrela de buraco negro”, escrita 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 está envolto numa espessa camada de gás hidrogénio que avermelha a luz emitida. Os objetos BH* não são estrelas verdadeiras porque não possuem fusão nuclear em seus centros. O gás ao seu redor também é muito mais turbulento do que qualquer coisa encontrada na atmosfera de uma estrela normal. Ainda assim, a situação física básica é comparável. O núcleo galáctico ativo aquece o envelope de gás circundante de uma forma que se assemelha à forma como a fusão aquece as camadas externas de uma estrela, produzindo uma aparência externa semelhante.

Os modelos apresentados pela equipe servem como primeiras provas 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 em torno de um núcleo galáctico ativo. Se esta interpretação estiver correta, The Cliff representaria um caso extremo dominado pela estrela do buraco negro central, enquanto os outros pequenos pontos vermelhos conteriam misturas variadas 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 uma configuração envolta em gás como esta poderia permitir um crescimento muito rápido de buracos negros no Universo primitivo. O JWST já revelou evidências de buracos negros invulgarmente massivos em tempos antigos. Se estrelas supermassivas de buracos negros crescerem de maneira semelhante, elas poderão fornecer um novo mecanismo para explicar esse rápido crescimento. Permanece incerto se os objetos BH* podem conseguir isso, mas se puderem, isso influenciaria significativamente os modelos de 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 passo importante, oferecendo o primeiro modelo capaz de explicar a quebra extrema de Balmer no The Cliff. No entanto, eles 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 longos períodos (especialmente porque o buraco negro consome o gás e deve de alguma forma ser reabastecido)? Como surgem as outras características espectrais de The Cliff?

Abordar essas questões exigirá modelagem teórica e mais observações. A equipe de De Graaff já tem observações de acompanhamento do JWST agendadas para o próximo ano, visando The Cliff e outros pequenos pontos vermelhos especialmente interessantes.

Estes estudos futuros ajudarão a determinar se as estrelas dos buracos negros realmente desempenharam um papel na formação das primeiras galáxias. A possibilidade é intrigante, mas está longe de ser resolvida.

Antecedentes e Equipe de Pesquisa

O trabalho descrito aqui foi aceito para publicação como A. de Graaff et al., “Um notável Ruby: Absorção em gás denso, em vez de estrelas evoluídas, impulsiona a quebra extrema de Balmer de um pequeno ponto vermelho em z = 3,5” em Astronomia e Astrofísica. Um artigo complementar liderado por Raphael Hviding, apresentando a amostra mais ampla de pequenos pontos vermelhos da pesquisa RUBIES, também foi publicado na mesma revista sob o título “RUBIES: Um censo espectroscópico de pequenos pontos vermelhos – Todas as fontes pontuais com continuação em forma de V têm linhas largas.”

Os pesquisadores envolvidos incluem Anna de Graaff, Hans-Walter Rix e Raphael E. Hviding do Instituto Max Planck de Astronomia, juntamente com Gabe Brammer (Cosmic Dawn Center), Jenny Greene (Universidade de Princeton), Ivo Labbe (Universidade de Swinburne), Rohan Naidu (MIT), Bingjie Wang (Universidade Penn State e Universidade de Princeton) e outros colaboradores.