Objeto visto pelo James Webb emite energia demais para ser uma estrela comum
Um pequeno ponto vermelho encontrado pelo Telescópio Espacial James Webb pode representar algo que os astrônomos nunca haviam observado dessa forma: um buraco negro cercado por uma enorme e extremamente densa camada de gás, formando uma estrutura que se comporta parcialmente como uma estrela gigantesca.
O objeto recebeu o nome MoM-BH-1* e existia apenas cerca de 660 milhões de anos depois do Big Bang, em uma época em que o Universo ainda estava formando algumas de suas primeiras galáxias. O mais intrigante é que ele parece ter dimensões comparáveis às do Sistema Solar, mas produz uma quantidade de energia impossível de ser explicada por uma estrela convencional.
Por isso, pesquisadores liderados por Rohan Naidu, do Massachusetts Institute of Technology (MIT), passaram a chamá-lo de “black hole star” — ou “estrela de buraco negro”. O estudo, publicado na revista Nature, pode ajudar a resolver um dos maiores enigmas surgidos desde que o James Webb começou a observar profundamente o Universo: a origem dos misteriosos “pequenos pontos vermelhos”, conhecidos como little red dots.
Se a interpretação estiver correta, a descoberta ainda oferece uma pista para outro problema: como buracos negros gigantes conseguiram crescer tão rapidamente quando o Universo era tão jovem?
O que é a chamada “estrela de buraco negro”?
Apesar do nome, não estamos diante de uma estrela comum que possui simplesmente um buraco negro em seu centro.
Uma estrela como o Sol produz energia através da fusão nuclear. Em seu núcleo, elementos leves são transformados em elementos mais pesados, liberando enormes quantidades de energia.
Na estrutura proposta pelos pesquisadores para MoM-BH*-1, o mecanismo seria completamente diferente.
No centro estaria um buraco negro em crescimento. Ao redor dele existiria uma quantidade extraordinária de gás extremamente denso, formando uma espécie de grande envelope ou atmosfera.
O buraco negro forneceria a energia ao consumir matéria, enquanto o gás ao seu redor absorveria, espalharia e reemitiria parte dessa radiação.
Visto de longe, o resultado poderia lembrar uma enorme estrela.
É daí que surgiu o nome.
Buraco negro faz o papel do núcleo
A comparação utilizada pelos pesquisadores ajuda a visualizar o fenômeno.
Em uma estrela convencional, a fusão nuclear no centro funciona como a fonte de energia e as camadas externas de gás formam a superfície que observamos.
Na “estrela de buraco negro”, o processo de acreção do buraco negro desempenharia o papel da fonte energética. Já o enorme envelope de gás funcionaria como uma espécie de pseudo-fotosfera.
Em outras palavras, o objeto parece uma estrela por fora, mas sua fonte de energia é completamente diferente.
Essa configuração já havia sido discutida teoricamente em estudos sobre a formação de grandes buracos negros. O diferencial agora é que os astrônomos encontraram um objeto cujas propriedades parecem corresponder ao cenário.
James Webb encontrou um ponto vermelho extremamente estranho
MoM-BH*-1 não era exatamente aquilo que os pesquisadores estavam procurando.
A equipe participava do programa Mirage or Miracle (MoM), criado para investigar algumas das galáxias mais antigas e luminosas encontradas pelo James Webb.
Durante a análise das imagens, um objeto chamou atenção.
Ele era extremamente compacto, brilhante e possuía uma coloração muito vermelha.
Nos filtros mais azuis do James Webb, praticamente desaparecia. Em comprimentos de onda maiores, porém, aparecia intensamente.
Inicialmente, uma explicação aparentemente óbvia seria poeira.
Objetos astronômicos podem parecer mais vermelhos quando sua luz atravessa grandes quantidades de poeira, de maneira semelhante ao modo como fumaça pode alterar a cor percebida do Sol no céu terrestre.
Mas os dados não combinavam completamente com essa interpretação.
O espectro revelou algo que uma população de estrelas não explica
A grande vantagem do James Webb não está apenas em fotografar objetos extremamente distantes.
Seus instrumentos conseguem decompor a luz em diferentes comprimentos de onda por meio da espectroscopia.
É como obter uma espécie de impressão digital do objeto.
Nesse caso, observações realizadas com o instrumento NIRSpec revelaram características excepcionais.
MoM-BH*-1 apresenta um chamado salto de Balmer extremamente intenso, além de emissão ampla de hidrogênio e absorção em diferentes linhas da série de Balmer.
O salto observado foi tão intenso que ultrapassa aquilo que os modelos conseguem produzir utilizando apenas uma população normal de estrelas.
Segundo o estudo, mesmo uma população composta somente por estrelas do tipo A — que podem apresentar alguns dos saltos de Balmer mais fortes — não seria suficiente para reproduzir o sinal encontrado.
Isso praticamente eliminou a interpretação de que o estranho ponto vermelho fosse apenas um grande conjunto de estrelas.
O objeto surgiu apenas 660 milhões de anos após o Big Bang
A distância também torna MoM-BH*-1 excepcional.
O espectro medido pelo James Webb indica um desvio para o vermelho de aproximadamente z = 7,76. Isso significa que estamos observando o objeto como ele era cerca de 660 milhões de anos depois do Big Bang.
O Universo atual possui aproximadamente 13,8 bilhões de anos.
Portanto, a luz registrada pelo telescópio começou sua viagem quando o cosmos tinha menos de 5% de sua idade atual.
Olhar para MoM-BH*-1 é, literalmente, observar uma fase muito inicial da história cósmica.
E justamente nessa época existe um enorme problema para os astrônomos.
Como surgiram buracos negros gigantes tão rapidamente?
No centro de grandes galáxias atuais existem buracos negros com milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol.
A Via Láctea possui o Sagittarius A*, com cerca de quatro milhões de massas solares.
Isso não é particularmente surpreendente em uma galáxia que teve bilhões de anos para evoluir.
O problema começa quando observações revelam buracos negros extremamente massivos apenas algumas centenas de milhões de anos depois do Big Bang.
Nesse intervalo relativamente curto, os objetos precisariam nascer e crescer a velocidades extraordinárias.
É por isso que os astrônomos procuram descobrir quais foram as chamadas sementes dos primeiros buracos negros supermassivos.
MoM-BH*-1 pode oferecer uma pista.
O buraco negro central pode ter 100 mil massas solares
A interpretação apresentada pela equipe sugere a presença de um buraco negro central com uma massa da ordem de 100 mil vezes a massa do Sol.
Em torno dele estaria um envelope de gás tão extenso que poderia alcançar dimensões comparáveis às do nosso Sistema Solar.
Isso cria uma estrutura extremamente diferente de um buraco negro ativo convencional.
Normalmente, quando pensamos em um buraco negro consumindo matéria, imaginamos um disco de acreção achatado girando ao redor dele.
Na hipótese da “estrela de buraco negro”, o ambiente seria muito mais envolvente.
Grandes quantidades de gás cercariam o buraco negro praticamente por todos os lados.
É esse gás que poderia produzir o espectro estranho detectado pelo Webb.
Densidade do gás impressionou os pesquisadores
Os modelos utilizados para reproduzir as observações exigem condições extremas.
O estudo encontrou evidências de gás com densidades superiores a aproximadamente 1 bilhão de átomos de hidrogênio por centímetro cúbico em determinadas regiões.
Na simulação utilizada para reproduzir de maneira mais próxima o espectro completo, os pesquisadores trabalharam com densidades ainda maiores, da ordem de 100 bilhões de átomos de hidrogênio por centímetro cúbico.
O material também teria movimentos turbulentos de centenas de quilômetros por segundo.
Essas condições ajudam a explicar tanto as fortes absorções de hidrogênio quanto a aparência peculiar da luz emitida pelo objeto.
É quase como se o buraco negro estivesse escondido dentro de uma gigantesca atmosfera cósmica.
O objeto é mais energético do que qualquer estrela poderia ser
Outra característica tornou a hipótese de uma estrela convencional ainda mais difícil.
Segundo o MIT, o objeto produz energia em uma escala aproximadamente 100 bilhões de vezes superior àquela que qualquer estrela conhecida poderia fisicamente produzir.
Isso não significa que ele brilhe literalmente como 100 bilhões de sóis em todas as comparações possíveis.
A afirmação se refere à enorme diferença entre a energia observada no objeto e a capacidade física de uma estrela individual sustentar uma luminosidade desse tipo.
Uma fonte alimentada pela queda de matéria em direção a um buraco negro consegue alcançar regimes completamente diferentes.
A gravidade transforma parte da energia da matéria que cai em radiação, produzindo algumas das fontes mais brilhantes do Universo.
É o mesmo princípio fundamental responsável pelo brilho de quasares e outros núcleos galácticos ativos.
MoM-BH*-1, porém, parece estar envolvido por uma estrutura de gás muito diferente daquela observada nesses objetos mais tradicionais.
Por que ele é vermelho se praticamente não há poeira?
Esse é outro ponto importante da descoberta.
Quando astrônomos encontram objetos extremamente vermelhos no Universo distante, uma das primeiras hipóteses costuma ser a presença de grandes quantidades de poeira.
A poeira absorve preferencialmente comprimentos de onda mais curtos e pode fazer o objeto parecer avermelhado.
Mas o modelo que melhor reproduziu MoM-BH*-1 necessita de muito pouca poeira.
A cor estaria ligada principalmente ao próprio gás extremamente denso envolvendo o buraco negro.
Isso é importante porque muda completamente a forma como a massa e a luminosidade desses objetos podem ser calculadas.
Se os astrônomos presumirem incorretamente que a coloração é causada por poeira, poderão aplicar correções exageradas na luminosidade.
Consequentemente, poderão também superestimar a massa do buraco negro.
Descoberta pode explicar os misteriosos “pequenos pontos vermelhos”
Desde que o James Webb começou suas observações científicas, uma população de objetos inesperados passou a aparecer repetidamente.
São os chamados little red dots, ou pequenos pontos vermelhos.
Eles aparecem como fontes compactas e avermelhadas principalmente em observações do Universo jovem.
O problema é que suas propriedades têm sido difíceis de explicar.
Alguns mostram características semelhantes às de buracos negros ativos. Outros parecem conter sinais que lembram populações estelares.
E muitos parecem pequenos demais para produzir tanta luminosidade da forma tradicionalmente esperada.
MoM-BH*-1 pode conectar essas peças.
Talvez os “pontos vermelhos” escondam estrelas de buraco negro
A hipótese proposta pela equipe é que uma “estrela de buraco negro” como MoM-BH*-1 poderia estar no centro de outros pequenos pontos vermelhos.
Há uma diferença importante.
No caso de MoM-BH*-1, a emissão do próprio objeto parece dominar praticamente toda a luz que conseguimos observar. A galáxia hospedeira contribui pouco.
É como se os astrônomos estivessem observando uma versão quase “pura” da estrutura.
Nos demais pequenos pontos vermelhos, a luz da galáxia ao redor pode se misturar com a luz proveniente do buraco negro envolto em gás.
Quando os pesquisadores combinaram esses componentes em seus modelos, conseguiram reproduzir várias propriedades observadas nos little red dots.
Se essa hipótese for confirmada em outros sistemas, uma grande população de objetos misteriosos descoberta pelo Webb pode finalmente ganhar uma explicação física comum.
Uma pequena galáxia aparece próxima ao objeto
MoM-BH*-1 também não parece estar completamente sozinho.
Os pesquisadores identificaram uma galáxia próxima.
O estudo considera a possibilidade de que o objeto venha a se fundir com essa vizinha. Caso isso ocorra, o resultado poderia se parecer justamente com os pequenos pontos vermelhos observados pelo Webb, nos quais a emissão do buraco negro e a luz da galáxia aparecem juntas.
Isso cria uma possibilidade fascinante.
Talvez estejamos observando diferentes estágios de uma mesma sequência evolutiva.
Primeiro, um buraco negro jovem cresce rapidamente envolvido por um enorme casulo de gás.
Depois, esse sistema passa a fazer parte de uma galáxia em crescimento.
Com o tempo, o gás se reorganiza ou desaparece e o objeto evolui para configurações mais parecidas com os núcleos galácticos ativos que conhecemos hoje.
Essa sequência ainda precisa ser comprovada, mas oferece aos astrônomos uma nova maneira de pensar sobre o crescimento dos primeiros buracos negros.
O buraco negro pode estar crescendo acima de um limite tradicional
Há ainda uma característica particularmente importante nessa hipótese: a chamada acréscimo super-Eddington.
Um buraco negro cresce quando captura matéria.
Mas existe um aparente limite para a velocidade desse processo.
Quanto mais matéria cai, mais radiação é produzida. Essa radiação exerce pressão para fora e pode dificultar a entrada de novo material.
O equilíbrio entre a gravidade puxando matéria para dentro e a pressão da radiação empurrando-a para fora é relacionado ao chamado limite de Eddington.
No entanto, determinadas condições físicas podem permitir que buracos negros ultrapassem esse regime por algum tempo.
É a chamada acreção super-Eddington.
O artigo da Nature aponta que um buraco negro enterrado em uma grande quantidade de gás pode representar justamente uma configuração capaz de favorecer crescimento extremamente rápido.
Isso ajudaria a explicar como alguns buracos negros atingiram massas enormes tão cedo.
Seria uma espécie de “casulo” para buracos negros jovens
Uma forma simples de visualizar a hipótese é pensar no envelope de gás como uma espécie de casulo.
No centro, o buraco negro está crescendo.
Ao seu redor, o gás é tão denso que modifica completamente a radiação antes que ela escape para o espaço.
Para um observador distante, não enxergamos diretamente a estrutura tradicional esperada ao redor do buraco negro.
Vemos principalmente aquilo que o gás reprocessou.
É justamente por isso que o conjunto pode adquirir uma aparência semelhante à superfície de uma estrela.
Mas a analogia termina aí.
Não existe uma superfície sólida e tampouco fusão nuclear alimentando o objeto.
“Estrela de buraco negro” não é a mesma coisa que uma estrela colapsando
O nome também pode provocar outra confusão.
Estrelas muito massivas podem terminar suas vidas colapsando e formando buracos negros.
Esse processo ocorre depois que a estrela deixa de conseguir sustentar seu próprio peso através das reações nucleares.
A “estrela de buraco negro” descrita no estudo é completamente diferente.
O buraco negro já existe.
O que faz o sistema parecer estelar é o enorme envelope de gás que o cerca.
Portanto, não se trata de uma estrela comum em seus últimos instantes de vida.
Trata-se de uma possível configuração astrofísica própria.
É um novo tipo de objeto confirmado?
Ainda é cedo para fazer essa afirmação de maneira absoluta.
O próprio estudo utiliza uma linguagem cuidadosa.
Os pesquisadores afirmam que a fonte pode fornecer evidências de um buraco negro jovem mergulhado em gás extremamente denso e apresentam essa configuração como a explicação que melhor reproduz várias características observadas.
Além disso, os autores reconhecem que o modelo utilizado é altamente simplificado.
A geometria real do gás pode ser mais complexa, o espectro original produzido pelo buraco negro pode ser diferente do assumido e outros processos físicos podem estar envolvidos.
Por isso, dizer que o James Webb “confirmou definitivamente uma nova classe de estrelas” seria mais forte do que os próprios dados permitem.
O resultado mais correto é: o telescópio encontrou um objeto com propriedades nunca explicadas dessa maneira antes, e um buraco negro envolto por gás extremamente denso surge como uma interpretação convincente.
Novas observações podem colocar a hipótese à prova
MoM-BH*-1 oferece algo valioso justamente por ser tão extremo.
Como sua emissão aparentemente domina a luz do sistema, os pesquisadores conseguem estudar as características do possível envelope de gás com menos interferência da galáxia hospedeira.
Isso transforma o objeto em uma espécie de laboratório natural.
Novas observações poderão procurar outros exemplares com propriedades semelhantes e verificar se o mesmo modelo consegue explicar seus espectros.
Esse será um teste decisivo.
Se várias fontes independentes apresentarem o mesmo conjunto de características, a ideia de uma população de “estrelas de buraco negro” ficará muito mais forte.
Já existem centenas de possíveis candidatos
A hipótese não está restrita a um único ponto vermelho.
Um estudo posterior da mesma linha de pesquisa analisou imagens do James Webb e identificou 241 candidatos dominados por estruturas do tipo “black hole star”, distribuídos por uma ampla faixa de épocas cósmicas.
Isso não significa que 241 novas “estrelas de buraco negro” já estejam confirmadas.
Esses objetos foram selecionados a partir de suas propriedades fotométricas e precisam de investigações mais detalhadas.
Mas o número mostra uma consequência importante: se o modelo estiver correto, MoM-BH*-1 talvez não seja uma raridade extraordinária.
Pode ser apenas o exemplo mais limpo de uma população muito maior.
A descoberta pode mudar estimativas de massas de buracos negros
Existe ainda uma consequência técnica importante.
As massas de buracos negros extremamente distantes muitas vezes são estimadas utilizando relações entre a luminosidade e a velocidade do gás próximo ao objeto.
Essas relações funcionam razoavelmente bem para determinados tipos de núcleos galácticos ativos conhecidos no Universo mais próximo.
Mas MoM-BH*-1 parece ter uma estrutura física diferente.
O estudo propõe que parte da largura e do formato incomum das linhas espectrais pode ser causada pelo espalhamento da radiação no gás denso, e não apenas pelo movimento orbital desse gás ao redor do buraco negro.
Se essa interpretação estiver correta, aplicar os métodos tradicionais poderia gerar massas exageradamente altas.
Os autores chegam a sugerir que, em alguns pequenos pontos vermelhos, as estimativas anteriores podem estar superestimadas em ordens de grandeza.
Isso teria implicações importantes para o debate sobre quão rapidamente os primeiros buracos negros cresceram.
James Webb está mostrando um Universo diferente do esperado
Antes do lançamento do telescópio, os astrônomos já esperavam encontrar galáxias e buracos negros muito distantes.
O inesperado foi a quantidade de objetos luminosos, compactos e aparentemente evoluídos aparecendo em épocas extremamente precoces.
Os pequenos pontos vermelhos são parte desse quebra-cabeça.
MoM-BH*-1 acrescenta agora uma possibilidade diferente: alguns objetos inicialmente interpretados como galáxias extremamente brilhantes podem ter grande parte de sua luminosidade produzida por buracos negros jovens escondidos dentro de casulos de gás.
Isso pode alterar a maneira como os astrônomos interpretam várias observações do Universo primordial.
Não necessariamente porque os modelos cosmológicos estejam errados, mas porque aquilo que parecia ser luz de estrelas pode ter uma origem muito diferente.
Uma peça para entender os primeiros gigantes do Universo
O grande valor de MoM-BH*-1 talvez não esteja simplesmente em adicionar um nome exótico ao catálogo da astronomia.
A descoberta oferece uma possível fotografia de um processo que, até agora, era principalmente teórico.
Um buraco negro relativamente jovem pode estar crescendo rapidamente dentro de uma gigantesca reserva de gás, produzindo tanta energia que todo o sistema assume a aparência de uma estrela colossal.
Se estruturas desse tipo forem comuns, elas poderão explicar tanto os misteriosos pequenos pontos vermelhos quanto parte do crescimento acelerado dos primeiros buracos negros supermassivos.
Ainda serão necessárias novas observações para confirmar a geometria do objeto, medir melhor sua massa e descobrir quantos exemplares realmente existem.
Mas o James Webb pode ter encontrado algo especialmente valioso: não apenas mais um buraco negro distante, mas uma possível etapa perdida da história de como os maiores buracos negros do Universo começaram a crescer.
Perguntas frequentes
O que é uma “estrela de buraco negro”?
É o nome dado pelos pesquisadores a uma possível estrutura formada por um buraco negro em crescimento envolvido por uma enorme quantidade de gás extremamente denso. O gás funciona como uma espécie de atmosfera, fazendo o objeto irradiar de maneira semelhante a uma estrela.
O James Webb realmente encontrou uma nova estrela?
Não uma estrela convencional. O objeto MoM-BH*-1 apresenta propriedades incompatíveis com uma população normal de estrelas. A hipótese preferida pelos pesquisadores é a presença de um buraco negro envolvido por gás denso.
Qual é o tamanho da “estrela de buraco negro”?
Os pesquisadores estimam que o envelope gasoso possa ter dimensões comparáveis às do Sistema Solar. O modelo utilizado no estudo trabalha com uma extensa camada de gás envolvendo o buraco negro central.
Qual é a massa do buraco negro?
A interpretação apresentada pela equipe indica um buraco negro com massa da ordem de 100 mil vezes a massa do Sol, embora essa estimativa dependa do modelo físico adotado.
A que distância está MoM-BH*-1?
O objeto possui desvio para o vermelho de aproximadamente z = 7,76 e é observado como existia cerca de 660 milhões de anos depois do Big Bang. Sua luz viajou por mais de 13 bilhões de anos até chegar até nós.
O que são os “little red dots”?
São pequenos objetos compactos e avermelhados encontrados em grande quantidade pelo James Webb no Universo jovem. Sua verdadeira natureza ainda é debatida, e a hipótese das “estrelas de buraco negro” pode explicar pelo menos parte dessa população.
Por que a descoberta é importante?
Ela pode ajudar a explicar como os primeiros buracos negros cresceram tão rapidamente e por que objetos extremamente luminosos aparecem tão cedo na história do Universo. Também pode mudar a forma como as massas de alguns buracos negros distantes são calculadas.