Graças às vastas capacidades aprimoradas dos telescópios de hoje, os astrônomos estão investigando mais profundamente o cosmos e voltando no tempo. Ao fazer isso, eles foram capazes de abordar alguns mistérios de longa data sobre como o Universo evoluiu desde o Big Bang. Um desses mistérios é como os buracos negros supermassivos (SMBHs), que desempenham um papel crucial na evolução das galáxias, se formaram durante o início do Universo.
Usando o Very Large Telescope (VLT) do ESO no Chile, uma equipe internacional de astrônomos observou galáxias quando elas apareceram cerca de 1,5 bilhão de anos após o Big Bang (cerca de 12,5 bilhões de anos atrás). Surpreendentemente, eles observaram grandes reservatórios de gás hidrogênio frio que poderiam ter fornecido uma "fonte de alimento" suficiente para SMBHs. Esses resultados podem explicar como as SMBHs cresceram tão rapidamente durante o período conhecido como Cosmic Dawn.
A equipe foi liderada pelo Dr. Emanuele Paolo Farina, do Instituto Max Planck de Astronomia (MPIA) e pelo Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA). Ele se juntou a pesquisadores do MPIA e MPA, do European Southern Observatory (ESO), da UC Santa Barbara, do Arcetri Astrophysical Observatory, do Astretrysics and Space Science Observatory de Bolonha e do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPEP).
Por décadas, os astrônomos estudam SMBHs, que existem no centro da maioria das galáxias e são identificadas por seus Núcleos Galáticos Ativos (AGN). Esses núcleos, também conhecidos como quasares, podem emitir mais energia e luz do que o resto das estrelas da galáxia juntas. Até o momento, o mais distante observado é o ULAS J1342 + 0928, localizado a 13,1 bilhões de anos-luz de distância.
Dado que as primeiras estrelas se formaram apenas 100.000 anos após o Big Bang (cerca de 13,8 bilhões de anos atrás), isso significa que as SMBHs tiveram que se formar rapidamente a partir das primeiras estrelas a morrer. Até agora, porém, os astrônomos não haviam encontrado poeira e gás em quantidades suficientemente altas durante o início do Universo para explicar esse rápido crescimento.
Além disso, observações anteriores conduzidas com o Atacama Large Millimeter / submilimeter Array (ALMA) revelaram que as galáxias iniciais continham muita poeira e gás, o que alimentou a rápida formação de estrelas. Essas descobertas indicaram que não restaria muito material para alimentar os buracos negros, o que apenas aprofundou o mistério de como eles também cresceram tão rapidamente.
Para resolver isso, Farina e seus colegas confiaram nos dados coletados pelo instrumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) do VLT para pesquisar 31 quasares a uma distância de cerca de 12,5 bilhões de anos-luz (observando assim como eram 12,5 bilhões de anos atrás). Isso faz da pesquisa uma das maiores amostras de quasares desse período inicial do Universo. O que eles encontraram foram 12 nuvens de hidrogênio estendidas e surpreendentemente densas.
Essas nuvens de hidrogênio foram identificadas por seu brilho característico na luz UV. Dada a distância e o efeito do desvio para o vermelho (onde o comprimento de onda da luz é esticado devido à expansão cósmica), os telescópios terrestres percebem o brilho como luz vermelha. Como Farina explicou em um comunicado de imprensa da MPIA:
“A explicação mais provável para o gás brilhante é o mecanismo de fluorescência. O hidrogênio converte a radiação rica em energia do quasar em luz com um comprimento de onda específico, que é perceptível por um vislumbre.”
As nuvens de hidrogênio denso e frio - que eram vários bilhões de vezes a massa do Sol - formaram halos ao redor das galáxias primitivas que se estendiam por 100.000 anos-luz a partir dos buracos negros centrais. Normalmente, detectar tais nuvens em torno de quasares (que são intensamente brilhantes) é bastante difícil. Mas, graças à sensibilidade do instrumento MUSE - que Farina descreveu como "um divisor de águas" - a equipe os encontrou rapidamente.
Como disse Alyssa Drake, pesquisadora do MPIA que também contribuiu para o estudo:
“Com os estudos atuais, estamos apenas começando a investigar como os primeiros buracos negros supermassivos foram capazes de se desenvolver tão rapidamente. Mas novos instrumentos como o MUSE e o futuro Telescópio Espacial James Webb estão nos ajudando a resolver esses quebra-cabeças emocionantes.”
A equipe descobriu que esses halos de gás estavam fortemente ligados às galáxias, fornecendo a "fonte de alimento" perfeita para sustentar a rápida formação de estrelas e o crescimento de buracos negros supermassivos. Essas observações efetivamente resolvem o mistério de como buracos negros supermassivos poderiam existir tão cedo na história do Universo. Como Farina resume:
“Agora podemos demonstrar, pela primeira vez, que galáxias primordiais têm comida suficiente em seus ambientes para sustentar o crescimento de buracos negros supermassivos e a formação de estrelas vigorosas. Isso adiciona uma peça fundamental ao quebra-cabeça que os astrônomos estão construindo para imaginar como as estruturas cósmicas se formaram há mais de 12 bilhões de anos atrás.”
No futuro, os astrônomos terão instrumentos ainda mais sofisticados para estudar galáxias e SMBHs no início do Universo, o que deve revelar ainda mais detalhes sobre nuvens de gás antigas. Isso inclui o Telescópio Extremamente Grande do ESO (ELT), bem como telescópios espaciais como o Telescópio Espacial James Webb (JWST).
O estudo que descreve as descobertas da equipe apareceu na edição de 20 de dezembro de The Astrophysical Journal.
