Um buraco negro supermassivo no início do Universo a alimentar-se a um ritmo recorde

Os astrónomos identificaram, nas regiões mais distantes do cosmos, um buraco negro supermassivo a engolir matéria a uma das velocidades mais elevadas alguma vez observadas.

No centro de uma galáxia do tipo quasar chamada RACS J0320-35, quando o Universo tinha apenas cerca de 920 milhões de anos após o Big Bang, este buraco negro parece estar a acumular material a 2,4 vezes o limite de Eddington - a taxa máxima teórica de alimentação sustentada - de acordo com uma equipa liderada pelo astrofísico Luca Ighina, do Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian.

Este cenário de acréscimo super-Eddington pode ajudar a esclarecer um enigma antigo: como é que alguns buracos negros conseguiram atingir massas de milhões a milhares de milhões de vezes a massa do Sol antes de o Universo completar sequer mil milhões de anos.

A grande pergunta: como nasceram os primeiros buracos negros?

“De que forma é que o Universo produziu a primeira geração de buracos negros?”, questiona o astrofísico Thomas Connor, também do Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian. “Continua a ser uma das maiores questões da astrofísica, e este objeto está a ajudar-nos a aproximar-nos da resposta.”

Os buracos negros supermassivos têm um papel central na arquitetura cósmica. As galáxias organizam-se em torno do intenso poço gravitacional que estes objetos criam, funcionando como o “ponto de ancoragem” que mantém as estrelas e o gás em órbita.

Apesar disso, a sua presença tão cedo na história do Universo permanece difícil de explicar. Encontrar buracos negros com massas gigantescas nos primeiros mil milhões de anos parece incompatível com um crescimento lento, feito apenas por ir “comendo” matéria de forma gradual ao longo do tempo.

O limite de Eddington e o disco de acreção

A dificuldade está no facto de existir um limite físico para a quantidade de matéria que um buraco negro consegue incorporar de forma estável. Esse teto chama-se limite de Eddington.

Quando um buraco negro está a acumular grandes quantidades de gás, o material não cai diretamente. Em vez disso, forma um disco de acreção em rotação - semelhante a um redemoinho - e apenas o gás mais próximo da borda interior consegue atravessar o horizonte de acontecimentos e entrar no buraco negro. Nesse disco, a fricção e a gravidade aquecem o material até temperaturas extremas, fazendo-o emitir uma luminosidade intensa.

A radiação, contudo, não é “passiva”: a luz exerce pressão de radiação. Um fotão isolado tem um efeito mínimo, mas um disco de acreção extremamente brilhante produz uma pressão para fora suficientemente forte para contrariar a gravidade que puxa a matéria para dentro. Quando essas duas forças se equilibram, o gás deixa de conseguir aproximar-se com facilidade - e esse ponto define precisamente o limite de Eddington.

Acréscimo super-Eddington: o atalho para crescer depressa

Ainda assim, durante períodos relativamente curtos, um buraco negro pode ultrapassar esse travão e alimentar-se acima do limite - um regime conhecido como acréscimo super-Eddington. Nessa fase, a matéria pode ser ingerida a um ritmo tão elevado que a pressão de radiação não consegue expulsá-la de imediato.

É por isso que muitos cientistas consideram o acréscimo super-Eddington uma via plausível para explicar como alguns buracos negros ficaram tão massivos pouco tempo depois do Big Bang.

Para que a hipótese ganhe força, é essencial encontrar exemplos reais. O problema é que observar o Universo primordial é extremamente difícil: esses objetos estão a distâncias enormes, e a sua luz viaja através do espaço-tempo durante quase toda a história cósmica até chegar até nós.

RACS J0320-35: um candidato observado em raios X e rádio

A fonte RACS J0320-35 pode ser uma peça importante desse puzzle. Em 2023, o objeto - extraordinariamente luminoso - foi identificado em dados de raios X obtidos pelo Observatório de Raios X Chandra, da NASA, destacando-se como o mais brilhante em raios X entre os objetos conhecidos dos primeiros mil milhões de anos do Universo.

Depois dessa deteção, a equipa realizou observações de seguimento no domínio do rádio, recorrendo ao Radiotelescópio Metrewave Gigante (GMRT), ao Conjunto Compacto do Telescópio da Austrália (ATCA) e à Rede Australiana de Grande Linha de Base (LBA). A partir desses dados, foi possível reconstruir como a emissão da galáxia se distribui ao longo do espetro eletromagnético.

Os investigadores compararam então essa distribuição com modelos que descrevem a assinatura observável do acréscimo super-Eddington. O resultado foi um encaixe muito próximo: a luz proveniente de RACS J0320-35 corresponde de forma consistente ao que se espera de um buraco negro supermassivo a alimentar-se acima do limite de Eddington, sugerindo um episódio de “hiperalimentação” no seu núcleo.

O que ainda falta confirmar - e porque isto pode ser tão útil

Embora sejam necessários testes adicionais para consolidar a interpretação, os autores apresentam um argumento robusto. Se o cenário se confirmar, RACS J0320-35 poderá tornar-se um caso de referência para modelar como os buracos negros supermassivos se formaram e cresceram nas primeiras fases do cosmos.

“Quando sabemos a massa do buraco negro e estimamos a rapidez com que está a aumentar, conseguimos recuar no tempo e calcular qual poderia ter sido a sua massa à nascença”, explica o coautor Alberto Moretti, do INAF – Observatório Astronómico de Brera, em Itália. “Com esse cálculo, passamos a poder pôr à prova diferentes ideias sobre como os buracos negros nascem.”

Um aspeto particularmente relevante é que regimes de acréscimo tão intensos podem estar associados a ventos poderosos e, por vezes, a jatos que influenciam o gás da galáxia hospedeira. Ao quantificar essa interação, será possível perceber melhor como a alimentação do buraco negro e a evolução da própria galáxia se condicionam mutuamente numa época tão precoce.

Também é expectável que observações futuras, com instrumentos capazes de medir com maior precisão a emissão em diferentes bandas, ajudem a distinguir entre explicações alternativas e a refinar os modelos físicos do disco. Se a assinatura do acréscimo super-Eddington se repetir noutros objetos do Universo jovem, ganhar-se-á um quadro mais sólido para explicar o crescimento “acelerado” dos primeiros buracos negros.

A investigação foi publicada em Cartas do Jornal Astrofísico.