Telescópio Espacial James Webb pesa um buraco negro inativo e revela uma anomalia no Universo primitivo

Normalmente, detetamos os buracos negros supermassivos devido ao excesso de luz nas suas imediações. No MRG-M0138, o objeto central quase não devora matéria, mas a sua gravidade deixa uma marca nas estrelas que se movem à sua volta, sem que isso se traduza num grande alvoroço luminoso.

Há pouco tempo, o telescópio espacial James Webb (JWST) observou uma galáxia com um desvio para o vermelho (redshift) de 1,95 numa fase inicial do Universo. Nessa altura, muitas galáxias massivas já tinham abrandado a sua formação estelar.

As medições a grandes distâncias baseiam-se frequentemente em quásares ou núcleos ativos, onde o gás brilhante revela a presença do buraco negro, métodos que são úteis, mas dependem de linhas de emissão e luminosidades que podem introduzir incertezas muito grandes na massa calculada.

Por isso, um novo estudo seguiu outro caminho, "pesando" um buraco negro inativo através da dinâmica estelar. Em vez de observar o seu brilho, mediu-se a forma como a gravidade altera o movimento das estrelas, numa galáxia distante, pouco luminosa e difícil de estudar.

Lentes gravitacionais: as novas balanças do Universo

A chave foi uma lente gravitacional produzida pelo aglomerado MACS J0138.0–2155, situado à frente do MRG-M0138. Nesse local, a gravidade amplificou a galáxia cerca de 29 vezes, aumentando o seu brilho e tamanho aparente ao ponto de permitir explorar uma região central que, normalmente, seria inacessível aos telescópios atuais.

Combinando a espectroscopia de campo integral do instrumento NIRSpec com imagens da NIRCam do JWST e imagens do Hubble, reconstruiu-se a galáxia no seu plano original, corrigindo a distorção produzida pela lente gravitacional.

Ao reconstruir a galáxia, depararam-se com uma estrutura complexa:

• Um disco inclinado que contribui com a maior parte da luz e um bulbo compacto no centro.
• As suas estrelas atingem uma dispersão de velocidades de 398 quilómetros por segundo, sinal de um núcleo gravitacionalmente extremo e muito denso.

Para converter esses movimentos em massa, foram utilizados modelos de dinâmica estelar denominados Jeans Anisotropic Modeling, além de se testarem combinações de estrelas, matéria escura, orientação, anisotropia e uma massa central compacta, até se reproduzir o mapa observado das velocidades estelares com a maior precisão física possível.

O que revelam as observações

O resultado principal é um valor de 6 000 milhões de massas solares para o buraco negro central. A região onde a sua gravidade domina, denominada esfera de influência, mede cerca de 164 parsecs (~535 anos-luz) e foi marginalmente resolvida, algo excecional para uma galáxia tão distante, compacta e fraca.

Os sinais de atividade nuclear são muito fracos; de facto, não foi detetada qualquer emissão de raios X com o Chandra, e as linhas de hidrogénio limitam a acreção a uma razão de Eddington inferior a um centésimo de milésimo, típica de núcleos apagados próximos.

A comparação com galáxias locais revelou uma discrepância significativa: o buraco negro tem uma massa cerca de 12 vezes superior à esperada para o bulbo e, ao mesmo tempo, coincide com a relação baseada na dispersão das velocidades estelares, que parece mais estável ao longo do tempo.

No futuro, a MRG-M0138 poderá tornar-se uma galáxia elíptica massiva através de fusões com baixo teor de gás. Essas colisões acrescentariam estrelas e fariam o bulbo crescer, mas alimentariam pouco o buraco negro, aproximando a galáxia de relações locais semelhantes às da Messier 87, de forma gradual e natural.

Uma medição que muda a nossa forma de ver as coisas

Esta medição demonstra que podemos estudar os buracos negros silenciosos e que a combinação do JWST com lentes gravitacionais reduz a nossa dependência dos quásares brilhantes, que dificultam a compreensão das populações de galáxias massivas nas fases iniciais do Universo.

Compreendemos agora que a coevolução entre galáxias e buracos negros não é uma sincronia perfeita. Em alguns sistemas, o buraco negro pode ter crescido primeiro, em episódios breves e intensos, enquanto a estrutura estelar só se reorganiza algum tempo depois, através de várias fusões.

A semelhança com as galáxias próximas acrescenta mais uma peça ao quebra-cabeças, uma vez que estes objetos poderão ser descendentes, praticamente intactos, de galáxias primitivas como a MRG-M0138, que cessaram a sua formação estelar e evitaram fusões significativas durante milhares de milhões de anos após o início do Universo.

É importante esclarecer que esta descoberta não encerra o debate, mas altera a escala do que é mensurável. Enquanto continuarmos a encontrar mais galáxias ampliadas, poderemos reconstruir com maior precisão quando é que os primeiros buracos negros supermassivos cresceram e como transformaram as suas galáxias anfitriãs.