Buracos negros na madrugada cósmica

Com o auxílio do Very Large Telescope do ESO, os astrónomos observaram reservatórios de gás frio em torno de algumas das galáxias mais primordiais do Universo. Estes halos de gás são o “alimento” perfeito dos buracos negros supermassivos situados no centro destas galáxias, as quais observamos tal como eram há cerca de 12,5 mil milhões de anos atrás. Este depósito de “comida” pode muito bem explicar como é que estes monstros cósmicos cresceram tão depressa durante um período da história do Universo conhecido por Madrugada Cósmica.

“Podemos demonstrar pela primeira vez que as galáxias primordiais dispõem de “alimento” suficiente nas suas vizinhanças para conseguirem fazer com que os buracos negros supermassivos nos seus centros cresçam ao mesmo tempo que mantêm uma formação estelar intensa,” diz Emanuele Paolo Farina, do Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, na Alemanha, que liderou o trabalho de investigação publicado hoje na revista da especialidade The Astrophysical Journal. “Juntámos assim uma peça fundamental ao puzzle que os astrónomos estão a construir para compreender como é que as estruturas cósmicas se formaram há mais de 12 mil milhões de anos atrás.”

Os astrónomos perguntavam-se como é que os buracos negros supermassivos conseguiam crescer tanto tão cedo na história do Universo. “A presença destes monstros primordiais, com massas de vários milhares de milhões de vezes a massa do Sol, constituía um mistério,” diz Farina, também afiliado ao Instituto Max Planck de Astrofísica em Garching bei München, na Alemanha. Isto significa que os primeiros buracos negros, que se devem ter formado do colapso das primeiras estrelas, cresceram muito depressa. No entanto, e até agora, os astrónomos não tinham descoberto “comida de buraco negro” — ou seja, gás e poeira — em quantidades suficientemente elevadas para explicar este crescimento tão rápido.

Para complicar ainda mais a situação, observações obtidas anteriormente com o ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) revelaram uma enorme quantidade de poeira e gás nestas galáxias primordiais, mas que parecia desencadear essencialmente formação estelar muito intensa, sugerindo que poderia restar muito pouco material para alimentar um buraco negro.

Para desvendar este mistério, Farina e colegas usaram o instrumento MUSE montado no Very Large Telescope do ESO (VLT), instalado no deserto chileno do Atacama, para estudar quasares — objetos extremamente luminosos situados no centro de galáxias massivas e alimentados por buracos negros supermassivos. Este estudo observou 31 quasares vistos tal como eram há mais de 12,5 mil milhões de anos atrás, numa altura em que o Universo era ainda muito jovem, com apenas 870 milhões de anos de idade. Trata-se de uma das maiores amostras de quasares tão primordiais na história do Universo a serem estudadas.

Os astrónomos descobriram que 12 destes quasares se encontram rodeados por enormes reservatórios de gás: halos de hidrogénio gasoso denso e frio que se estendem até 100 000 anos-luz de distância dos buracos negros centrais, com milhares de milhões de massas solares. A equipa descobriu também que estes halos de gás se encontram fortemente ligados às galáxias, fornecendo-lhes assim uma fonte de “alimento” perfeita para manter tanto o crescimento do buraco negro como uma formação estelar intensa.

Este trabalho foi possível graças à extrema sensibilidade do instrumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) montado no VLT do ESO, o qual Farina descreve como “decisivo” no estudo de quasares. “Com apenas algumas horas de observação por alvo, conseguimos investigar os arredores dos maiores e mais esfomeados buracos negros presentes no Universo primordial,” acrescenta Farina. Apesar dos quasares serem muito brilhantes, os reservatórios de gás que os circundam são muito mais difíceis de observar. Ainda assim, o MUSE conseguiu detectar o brilho ténue do hidrogénio gasoso nos halos, permitindo aos astrónomos descobrir finalmente estes depósitos de “comida” que alimentavam os buracos negros supermassivos no Universo primitivo.

Num futuro próximo, o Extremely Large Telescope (ELT) do ESO ajudará os cientistas a revelar ainda mais detalhes sobre as galáxias e os buracos negros supermassivos nos dois primeiros milhares de milhões de anos após o Big Bang. “Com o ELT poderemos observar ainda mais profundamente o Universo primordial e descobrir muitas mais destas nebulosas de gás,” conclui Farina.

Observatório Europeu do Sul

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