JWST descobre que 'Pequenos Pontos Vermelhos' são provavelmente estrelas de buracos negros

Desde a sua implantação, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) alterou fundamentalmente a nossa compreensão do universo primitivo ao capturar imagens de objetos misteriosos, compactos e extremamente vermelhos, conhecidos coloquialmente como "Pequenos Pontos Vermelhos" (Little Red Dots - LRDs). Durante anos, os astrônomos debateram se essas fontes com alto desvio para o vermelho (encontradas entre $z \sim 2$ e $z \sim 9$) eram galáxias minúsculas e ultradensas ou núcleos galácticos ativos (AGN) obscurecidos. Um novo estudo inovador liderado por pesquisadores, incluindo Gabriel Brammer, Priyamvada Natarajan e Sandro Tacchella, propõe uma terceira possibilidade mais exótica: esses objetos são estrelas de buraco negro (BH*s), uma fase transitória onde um buraco negro em crescimento está envolto em um envelope denso e massivo de gás que brilha completamente mais do que a sua galáxia hospedeira.

O que o JWST encontrou no universo primitivo?

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) descobriu uma população de objetos compactos com alto desvio para o vermelho, conhecidos como "Pequenos Pontos Vermelhos", que parecem notavelmente vermelhos em comprimentos de onda ópticos em repouso. Essas fontes, que datam de apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, exibem luminosidades extremas e estruturas compactas que desafiam os modelos existentes de formação de galáxias e crescimento de buracos negros.

A descoberta desses objetos foi inesperada porque as suas assinaturas espectrais não se alinhavam perfeitamente com os corpos celestes conhecidos. Inicialmente, o debate centrou-se em saber se a coloração avermelhada era causada por populações estelares antigas numa galáxia quiescente ou por um forte obscurecimento de poeira em torno de um buraco negro central. A equipa de investigação utilizou espectros de alta qualidade do NIRSpec/PRISM de uma amostra de 98 LRDs para investigar mais profundamente estes "Pequenos Pontos Vermelhos", procurando identificar o mecanismo específico que impulsiona a sua intensa produção de energia.

Para isolar a verdadeira natureza destes objetos, os pesquisadores desenvolveram um novo esquema para separar o motor central da galáxia hospedeira circundante. Eles operaram sob a suposição de que a linha de emissão [OIII] 5008Å surge exclusivamente do meio interestelar da galáxia hospedeira, em vez do núcleo compacto. Ao subtrair a contribuição da galáxia hospedeira com base nesta linha, a equipa revelou a distribuição espectral de energia (SED) subjacente do "coração" do LRD, o que forneceu a primeira evidência a nível populacional de estrelas de buraco negro.

Os Pequenos Pontos Vermelhos são, na verdade, Estrelas de Buraco Negro?

As evidências sugerem que muitos Pequenos Pontos Vermelhos são, de fato, alimentados por estrelas de buraco negro, que são singularidades centrais envoltas em envelopes de gás espessos e opacos. Após subtrair a luz da galáxia hospedeira, os investigadores descobriram que o núcleo restante se assemelha a uma SED do tipo corpo negro com uma temperatura de aproximadamente 4.050 K, muito mais consistente com um envelope gasoso do que com uma galáxia tradicional.

O modelo de "estrela de buraco negro", frequentemente referido como uma quase-estrela (quasistar), descreve um estado único da matéria onde um buraco negro cresce a uma taxa acelerada dentro de um envelope massivo e hidrostático. O estudo descobriu que o empilhamento mediano (median stack) dos LRDs com a subtração da hospedeira exibe uma quebra de Balmer mais de duas vezes mais forte do que as encontradas em galáxias quiescentes massivas. Esta característica específica é uma "assinatura marcante" de envelopes de gás densos, em vez da luz de estrelas antigas, indicando que o buraco negro é o principal impulsionador da luz observada.

De acordo com as descobertas de Brammer, Natarajan e Tacchella, estas estrelas de buraco negro são incrivelmente luminosas, com uma luminosidade bolométrica de $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43,9$ erg s$^{-1}$ e um raio efetivo de aproximadamente 1.300 au. O estudo indica que, num LRD típico, a estrela de buraco negro é responsável por:

• Aproximadamente 20% da emissão ultravioleta (UV).
• Cerca de 50% da luz na quebra de Balmer.
• Quase 90% da luz em comprimentos de onda superiores a H$\alpha$.

Como um buraco negro cresce dentro de um envelope de gás?

Um buraco negro cresce dentro de um envelope de gás ao acrescer massa a taxas que excedem o limite padrão de Eddington, enquanto o gás circundante aprisiona a radiação resultante. Isto cria um casulo denso e pressurizado onde a força gravitacional para dentro é equilibrada pela pressão para fora da energia do buraco negro, resultando numa estrutura estável mas transitória, semelhante a uma estrela.

Os dados espectroscópicos apoiam este modelo de crescimento "envolto" através da observação de um decremento de Balmer acentuado ($H\alpha/H\beta > 10$). Uma proporção tão elevada sugere um ambiente densamente obscurecido, onde o pó e o gás avermelham significativamente a luz que escapa do interior. Além disso, a equipa detetou inúmeras características sensíveis à densidade, incluindo linhas de emissão de FeII, HeI e OI, que raramente são vistas em galáxias padrão, mas são características de nuvens de gás de alta densidade que rodeiam uma fonte de energia potente.

A investigação postula que estas estrelas de buraco negro residem preferencialmente em galáxias de baixa massa ($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$) que sofreram recentemente surtos intensos de formação estelar (starbursts). A presença de larguras equivalentes de linhas de emissão extremas — como [OIII] 5008Å a 1100Å e CIII] a 12Å — sugere uma forte ligação entre a formação rápida de estrelas e o nascimento destas sementes massivas de buracos negros. Este ambiente fornece o reservatório de gás necessário para manter o envelope durante a expansão inicial do buraco negro.

Implicações para o Crescimento Precoce de Buracos Negros Supermassivos

A descoberta da fase de estrela de buraco negro tem implicações profundas sobre como os primeiros buracos negros supermassivos no universo se formaram tão rapidamente. Os modelos padrão de acreção muitas vezes têm dificuldade em explicar como os buracos negros atingiram milhares de milhões de massas solares nos primeiros mil milhões de anos da história cósmica. No entanto, o mecanismo da estrela de buraco negro permite um crescimento rápido, "super-Eddington", enquanto o objeto permanece obscurecido, efetivamente escondido da vista até que o envelope eventualmente se dissipe.

Os pesquisadores estimam que estes objetos têm um ciclo de atividade (duty cycle) relativamente curto de cerca de 1%, o que implica um tempo de vida de aproximadamente 10 milhões de anos. Apesar desta transitoriedade, os dados sugerem que as estrelas de buraco negro são tão comuns no universo primitivo que quase todos os buracos negros massivos vistos hoje podem ter passado uma vez por esta fase de "Pequeno Ponto Vermelho". Isto sugere que os LRDs não são um beco sem saída evolutivo, mas sim um "surto de crescimento" universal para os buracos negros.

Olhando para o futuro, as observações com o Telescópio Espacial James Webb provavelmente concentrar-se-ão em "AGNs azuis de linhas largas", que os investigadores acreditam poder ser a fase que se segue à estrela de buraco negro, uma vez que o envelope de gás denso comece a dissipar-se. Ao estudar a transição de "pontos" envoltos em gás para quasares luminosos e desmascarados, os astrônomos esperam mapear todo o ciclo de vida dos habitantes mais massivos do universo, desde o alvorecer cósmico até aos dias de hoje.