JWST identifica um ponto vermelho incomum tão extremo que os cientistas não conseguem explicar

Dados de acompanhamento deixaram claro que esses objetos eram extraordinariamente distantes. Mesmo os mais próximos de nós levaram 12 bilhões de anos para que sua luz chegasse até nós. Como olhar através do espaço é também olhar para trás no tempo, vemos esses objetos como apareceram 12 bilhões de anos atrás, aproximadamente 1,8 bilhões de anos após o Big Bang.

Teorias Iniciais Apontam para Galáxias Massivas e Jovens

Essa descoberta levantou questões difíceis. Para interpretar qualquer observação astronômica, os pesquisadores dependem de modelos que descrevem como diferentes tipos de objetos devem parecer. Astrônomos podem identificar uma estrela com confiança apenas porque entendem que estrelas são enormes esferas de plasma mantidas unidas pela gravidade, gerando energia através da fusão nuclear. Eles também sabem como estrelas devem aparecer em imagens e em medições detalhadas de sua luz conhecidas como espectros. Quando um objeto corresponde tanto à aparência quanto ao espectro, pode ser classificado de forma confiável.

Os pequenos pontos vermelhos não se alinhavam com nenhuma categoria familiar, então os astrônomos começaram a considerar explicações mais extremas. Uma proposta inicial sugeria que esses objetos eram galáxias incomumente densas, repletas de enormes quantidades de estrelas, com sua cor avermelhada causada por camadas espessas de poeira. Para visualizar essa densidade, imagine colocar o sistema solar dentro de um cubo de um ano-luz de cada lado. Em nossa região do espaço, aquele cubo conteria apenas o Sol. Nas galáxias propostas, o mesmo cubo conteria várias centenas de milhares de estrelas.

No âmbito da Via Láctea, apenas o núcleo central possui densidades estelares remotamente comparáveis, e essa região ainda contém apenas cerca de um milésimo das estrelas necessárias para os modelos dos pequenos pontos vermelhos. Se essas galáxias realmente acumulassem centenas de bilhões de massas solares em estrelas menos de um bilhão de anos após o Big Bang, isso desafiaria teorias básicas sobre como as galáxias se formam. Como observa o coautor Bingjie Wang (Universidade Estadual da Pensilvânia), “O céu noturno de tal galáxia seria deslumbrantemente brilhante. Se essa interpretação se confirmar, isso implica que as estrelas se formaram por processos extraordinários que nunca foram observados antes.”

Galáxias ou Núcleos Galácticos Ativos? Um Divisão Científica

Um debate rapidamente surgiu. Alguns pesquisadores favoreceram a ideia das galáxias ricas em estrelas e pesadas em poeira, enquanto outros argumentaram que os pequenos pontos vermelhos eram na verdade núcleos galácticos ativos obscurecidos por grandes quantidades de poeira. Núcleos galácticos ativos ocorrem quando material gira em direção ao buraco negro central de uma galáxia, formando um disco de acreção extremamente quente. No entanto, essa interpretação também enfrentou problemas. Os espectros dos pequenos pontos vermelhos diferiam significativamente de núcleos galácticos ativos conhecidos empoeirados. O cenário também exigia que esses objetos hospedassem buracos negros supermassivos com massas extremamente grandes, e muitos mais do que o esperado, considerando quantos pequenos pontos vermelhos o JWST detectou.

Apesar de suas divergências, os astrônomos concordaram em um ponto. Para resolver o mistério, eram necessários mais dados. As descobertas iniciais do JWST ofereceram imagens, mas entender a física exigia espectros, que revelam quanta luz os objetos emitem em diferentes comprimentos de onda. Garantir tais observações é um desafio porque o tempo nos principais telescópios é altamente competitivo. Assim que a importância dos pequenos pontos vermelhos se tornou clara, muitos grupos começaram a solicitar tempo de observação. Uma das propostas bem-sucedidas foi o programa RUBIES, liderado por Anna de Graaff do Instituto Max Planck de Astronomia, que significa “Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey”.

A Pesquisa RUBIES Descobre um Exemplo Extremo

Entre janeiro e dezembro de 2024, a equipe RUBIES utilizou quase 60 horas de tempo do JWST para coletar espectros de 4500 galáxias distantes, produzindo um dos maiores conjuntos de dados espectroscópicos do JWST até agora. Segundo Raphael Hviding (MPIA), “Nesse conjunto de dados, encontramos 35 pequenos pontos vermelhos. A maioria deles já havia sido encontrada usando imagens do JWST disponíveis publicamente. Mas os que eram novos se revelaram o objeto mais extremo e fascinante.” A descoberta mais marcante veio em julho de 2024: um exemplo extraordinariamente distante que chamamos de “The Cliff”, cuja luz viajou 11,9 bilhões de anos para chegar até nós (deslocamento para o vermelho z=3,55). Suas propriedades sugeriram que era um representante especialmente intenso da população dos pequenos pontos vermelhos e, portanto, um objeto crucial para testar quaisquer teorias sobre eles.

The Cliff ganhou esse nome por causa de uma característica dramática em seu espectro. Naquilo que normalmente seria a região ultravioleta, o espectro mostrou um aumento muito acentuado. Devido à expansão do universo, essa comprimento de onda foi esticada para quase cinco vezes seu valor original, colocando-a no infravermelho próximo, um processo chamado de desvio para o vermelho cosmológico. Esse aumento repentino é conhecido como um “quebra de Balmer”. Quebras de Balmer aparecem em galáxias normais, especialmente naquelas que formam poucas ou nenhuma nova estrela, mas são muito mais fracas do que o que foi observado em The Cliff.

Testando Cada Explicação Conhecida

A quebra de Balmer incomumente acentuada colocou The Cliff em desacordo com ambas as interpretações líderes para os pequenos pontos vermelhos. De Graaff e seus colegas testaram uma ampla gama de modelos de galáxias e núcleos galácticos ativos contra o espectro do objeto, tentando reproduzir suas características. Todos os modelos falharam.

Anna de Graaff diz: “As propriedades extremas de The Cliff nos forçaram a voltar à mesa de desenho e criar modelos completamente novos.” Nessa época, um estudo de setembro de 2024 de pesquisadores na China e no Reino Unido sugeriu que algumas características da quebra de Balmer poderiam vir de fontes diferentes das estrelas. A equipe de De Graaff havia começado a considerar uma ideia relacionada. Quebras de Balmer podem aparecer nos espectros de estrelas jovens e muito quentes isoladas, bem como em galáxias que contêm muitas dessas estrelas. Curiosamente, The Cliff se assemelha mais ao espectro de uma estrela muito quente do que ao de uma galáxia inteira.

Um Novo Modelo Surge: A Estrela Buraco Negro (BH*)

Baseando-se nessa ideia, De Graaff e seus colaboradores introduziram um novo conceito chamado de “estrela buraco negro”, escrito como BH*. Neste modelo, o motor central é um núcleo galáctico ativo contendo um buraco negro supermassivo com um disco de acreção, mas em vez de poeira, todo o sistema está envolto em uma camada espessa de gás hidrogênio que avermelha a luz emitida. Objetos BH* não são verdadeiras estrelas porque não possuem fusão nuclear em seus centros. O gás ao redor deles também é muito mais turbulento do que qualquer coisa encontrada na atmosfera de uma estrela normal. No entanto, a situação física básica é comparável. O núcleo galáctico ativo aquece o envelope de gás ao redor de uma maneira que se assemelha a como a fusão aquece as camadas externas de uma estrela, produzindo uma aparência semelhante por fora.

Os modelos apresentados pela equipe servem como provas de conceito iniciais. Eles ainda não são correspondências perfeitas aos dados, mas reproduzem as características observadas com mais sucesso do que qualquer modelo anterior. O aumento acentuado no espectro que inspirou o nome The Cliff pode ser explicado por um envelope gasoso denso, esférico e turbulento ao redor de um núcleo galáctico ativo. Se essa interpretação estiver correta, The Cliff representaria um caso extremo dominado pela estrela buraco negro central, enquanto os outros pequenos pontos vermelhos conteriam misturas variáveis de luz BH* e luz de estrelas e gás ao redor.

Implicações para o Crescimento Rápido de Galáxias Antigas

Se objetos BH* são reais, eles podem ajudar a esclarecer outro quebra-cabeça de longa data. Trabalhos teóricos anteriores sobre buracos negros intermediários um pouco menores sugeriram que uma configuração envolta em gás como essa poderia permitir um crescimento muito rápido de buracos negros no universo primitivo. O JWST já revelou evidências de buracos negros incomumente massivos em épocas iniciais. Se as estrelas buraco negro supermassivas crescerem de maneira semelhante, poderiam fornecer um novo mecanismo para explicar esse crescimento rápido. Continua incerto se os objetos BH* podem alcançar isso, mas se conseguirem, isso influenciaria significativamente os modelos de evolução das galáxias mais antigas.

Mesmo com essas perspectivas promissoras, é necessário cautela. Os resultados são novos e seguem a prática padrão de relatar trabalhos científicos apenas após a aceitação em revistas revisadas por pares. Se essas ideias se tornarão amplamente aceitas depende de mais evidências coletadas nos anos seguintes.

Mistérios Remanescentes e Observações Futuras

As novas descobertas marcam um grande passo, oferecendo o primeiro modelo capaz de explicar a extrema quebra de Balmer de The Cliff. No entanto, também levantam novas questões. Como uma estrela buraco negro poderia se formar em primeiro lugar? O que permite que seu envelope gasoso incomum persista ao longo do tempo (especialmente uma vez que o buraco negro consome o gás e deve ser de alguma forma reabastecido)? Como surgem as outras características espectrais de The Cliff?

Resolver essas questões exigirá tanto modelagem teórica quanto mais observações. A equipe de De Graaff já tem observações de acompanhamento planejadas para o próximo ano com o JWST, focando em The Cliff e em outros pequenos pontos vermelhos especialmente interessantes.

Esses estudos futuros ajudarão a determinar se as estrelas buraco negro realmente desempenharam um papel na formação das galáxias mais antigas. A possibilidade é intrigante, mas ainda está longe de ser resolvida.

Contexto e Equipe de Pesquisa

O trabalho descrito aqui foi aceito para publicação como A. de Graaff et al., “A remarkable Ruby: Absorption in dense gas, rather than evolved stars, drives the extreme Balmer break of a Little Red Dot at z = 3.5” na Astronomy & Astrophysics. Um artigo complementar liderado por Raphael Hviding, apresentando a amostra mais abrangente de pequenos pontos vermelhos da pesquisa RUBIES, também foi publicado na mesma revista com o título “RUBIES: A spectroscopic census of little red dots — All point sources with v-shaped continua have broad lines.”

Os pesquisadores envolvidos incluem Anna de Graaff, Hans-Walter Rix e Raphael E. Hviding do Instituto Max Planck de Astronomia, junto com Gabe Brammer (Cosmic Dawn Center), Jenny Greene (Universidade de Princeton), Ivo Labbe (Universidade de Swinburne), Rohan Naidu (MIT), Bingjie Wang (Universidade Estadual da Pensilvânia e Universidade de Princeton), e outros colaboradores.