Revelando a origem dos buracos negros supermassivos

Um buraco negro supermassivo (SMBH; o pequeno ponto preto no centro) suga o material ao seu redor, que forma uma forma de disco espiral à medida que flui para dentro. A energia gravitacional da matéria é convertida em radiação e irradiada para longe do disco. Objetos pequenos e médios com esses ambientes brilhantes são chamados de quasares. Crédito: Yoshiki Matsuoka

Buracos negros com massas excepcionalmente grandes — mais de um milhão de vezes a massa do Sol, conhecidos como buracos negros supermassivos (SMBHs) — são comumente encontrados no universo hoje. No entanto, as suas origens, bem como os detalhes de quando, onde e como apareceu ao longo de 13,8 mil milhões de anos de evolução cósmica, permanecem misteriosos.

Pesquisas realizadas nas últimas décadas indicam que galáxias pequenas e extremamente massivas residem no centro de cada galáxia e que a sua massa é sempre um milésimo da massa da sua galáxia hospedeira.

Esta estreita relação indica que galáxias e galáxias ultramassivas evoluíram juntas. Assim, revelar a origem de estrelas massivas é crucial não só para a compreensão dos próprios planetas massivos, mas também para elucidar os processos de formação de galáxias, componentes-chave do universo observável.

A chave para resolver este problema está no início do universo, pois o tempo passou desde que o universo apareceu a grande explosão (ou seja, o início do universo) foi há menos de um bilhão de anos. Graças à velocidade finita da luz, podemos perscrutar o passado observando o universo distante. Será que os objetos pequenos e médios realmente existiam quando o universo tinha apenas um bilhão de anos ou menos?

Um exemplo de imagem do céu noturno que tiramos com o Telescópio Subaru. O pequeno ponto vermelho no centro da imagem ampliada representa a luz proveniente de um quasar distante, que existia quando o Universo tinha 800 milhões de anos (13 mil milhões de anos-luz). Crédito: Observatório Astronômico Nacional do Japão

é possível Buraco negro Ganhar uma massa tão grande (mais de um milhão de massas solares e às vezes atingindo bilhões de massas solares) em tão pouco tempo? Em caso afirmativo, quais são os mecanismos e condições físicas subjacentes? Para abordar a origem de objetos de pequeno e médio porte, é necessário observá-los e comparar suas propriedades com previsões de modelos teóricos. Para fazer isso, primeiro é necessário determinar onde eles estão no céu.

A equipe de pesquisa usou o telescópio Subaru localizado no topo do Monte Maunakea, no Havaí, para conduzir este estudo. Uma das maiores vantagens da Subaru é a sua capacidade de vigilância de áreas amplas, que é particularmente adequada para este propósito.

Como os objetos ultrafinos não emitem luz, a equipe procurou uma classe especial chamada quasares – pequenos objetos ultrafinos com franjas brilhantes onde o material em queda libera energia gravitacional. Eles observaram uma vasta área do céu equivalente a 5.000 vezes a lua cheia e descobriram com sucesso 162 quasares residentes no universo primitivo. Em particular, 22 destes quasares existiram numa época em que o Universo tinha menos de 800 milhões de anos, o período mais antigo em que foram identificados quasares até à data.

O grande número de quasares descobertos permitiu-lhes determinar uma medida fundamental chamada “função de luminosidade”, que descreve a densidade espacial dos quasares em função da energia radiativa. Eles descobriram que os quasares estavam se formando muito rapidamente no universo primitivo, enquanto a forma geral da função de luminosidade (exceto a amplitude) permaneceu inalterada ao longo do tempo.

A função de luminosidade descreve a densidade do espaço (Φ no eixo vertical) em função da energia radiativa (M1450 no eixo horizontal). Traçamos as funções de luminosidade dos quasares observados quando o Universo tinha 0,8 (pontos vermelhos), 0,9 (diamantes verdes), 1,2 (quadrados azuis) e 1,5 (triângulos pretos) bilhões de anos. As curvas representam as formas funcionais mais adequadas. A densidade espacial dos quasares aumentou acentuadamente com o tempo, enquanto a forma da função de luminosidade permaneceu quase inalterada. Crédito: The Astrophysical Journal Letters, 949, L42, 2023

Este comportamento distinto da função de luminosidade fornece fortes restrições aos modelos teóricos, que podem eventualmente reproduzir todos os elementos observáveis ​​e descrever a origem dos buracos negros supermassivos.

Por outro lado, sabia-se que o Universo tinha passado por uma grande transição chamada “reionização cósmica” na sua fase inicial. Observações anteriores indicam que todo o espaço intergaláctico foi ionizado neste evento. A fonte da energia de ionização ainda está em debate, sendo a radiação dos quasares um candidato promissor.

Ao incorporar a função de luminosidade acima, descobrimos que os quasares emitem 10²⁸ Fótons por segundo na unidade de volume 1 Ano luz De um lado, no universo primitivo. Isto representa menos de 1% dos fotões necessários para manter o estado ionizado do espaço intergaláctico naquela altura e, portanto, indica que os quasares deram apenas uma pequena contribuição para a reionização cósmica. São urgentemente necessárias outras fontes de energia que, de acordo com outras observações recentes, podem ser a radiação incorporada de estrelas quentes e massivas na formação de galáxias.

Referência: “Função de luminosidade Quasar em z = 7” por Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoe, Kazushi Iwasawa, Michael A. Strauss, Nobunari Kashikawa, Takuma Izumi, Toru Nagao, Masatoshi Imanishi, Masayuki Akiyama, Jun D. Silverman, Naoko Asami, James Bush, Hisanori Furusawa, Tomotsugu Goto, James E. Gan, Yuichi Harikane, Hiroyuki Ikeda, Kohei Inayoshi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Satoshi Kikuta, Kotaro Kohno, Yutaka Komiyama, Shin-Hsiu Lee, Robert H. Lupton, Takeo Minezaki, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Atsushi J. Nishizawa, Masamune Oguri, Yoshiaki Ono, Taira Oji, Masami Ochi, Paul A. Price, Hiroaki Sameshima, Naoshi Sugiyama, Philip J. Tate, Masahiro Takada, Ayumi Takahashi, Tadafumi Takata, Masayuki Tanaka, Yoshiki Toba, Xiangyu Wang e Takuji Yamashita, 6 de junho de 2023, o Cartas de diários astrofísicos.
doi: 10.3847/2041-8213/acd69f

O estudo foi financiado pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência, pela Fundação Mitsubishi e pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China.