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Novas imagens do Telescópio Espacial James Webb revelaram, pela primeira vez, a luz das estrelas de duas galáxias massivas que hospedam buracos negros em crescimento ativo – quasares – vistos menos de um bilhão de anos após o Big Bang. Um novo estudo em Natureza esta semana descobre que os buracos negros têm massas próximas a um bilhão de vezes a do Sol, e as massas da galáxia hospedeira são quase cem vezes maiores, uma proporção semelhante à encontrada no universo mais recente. Uma poderosa combinação do Telescópio Subaru e do JWST abriu um novo caminho para estudar o universo distante.
A existência de tais buracos negros maciços no universo distante criou mais perguntas do que respostas para os astrofísicos. Como esses buracos negros podem crescer tanto quando o universo era tão jovem? Ainda mais intrigante, as observações no universo local mostram uma relação clara entre a massa dos buracos negros supermassivos e as galáxias muito maiores nas quais eles residem. As galáxias e os buracos negros têm tamanhos completamente diferentes, então quem veio primeiro: os buracos negros ou as galáxias? Este é um problema do tipo “ovo ou galinha” em escala cósmica.
Uma equipe internacional de pesquisadores, liderada pelo Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), Xuheng Ding e Professor John Silverman, e Peking University Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (PKU-KIAA) Kavli Astrophysics Fellow Masafusa Onoue começaram a responder a essa pergunta com o Telescópio Espacial James Webb (JWST), lançado em dezembro de 2021. Estudar a relação entre galáxias hospedeiras e buracos negros no início do universo permite que os cientistas observem sua formação e vejam como eles estão relacionados entre si .
Os quasares são luminosos, enquanto suas galáxias hospedeiras são fracas, o que tornou um desafio para os pesquisadores detectar a luz fraca da galáxia no brilho do quasar, especialmente a grandes distâncias. Antes do JWST, o Telescópio Espacial Hubble era capaz de detectar galáxias hospedeiras de quasares luminosos quando o universo tinha pouco menos de 3 bilhões de anos, mas não era mais jovem.
A excelente sensibilidade e as imagens ultranítidas do JWST em comprimentos de onda infravermelhos finalmente permitiram que os pesquisadores levassem esses estudos até o momento em que os quasares e as galáxias se formaram. Apenas alguns meses após o JWST iniciar as operações regulares, a equipe observou dois quasares, HSC J2236+0032 e HSC J2255+0251, em desvios para o vermelho 6,40 e 6,34, quando o universo tinha aproximadamente 860 milhões de anos. Esses dois quasares foram descobertos em um programa de pesquisa profunda do Telescópio Subaru de 8,2 m no cume de Maunakea, no Havaí. As luminosidades relativamente baixas desses quasares os tornaram alvos principais para a medição das propriedades da galáxia hospedeira, e a detecção bem-sucedida dos hospedeiros representa a época mais antiga até o momento em que a luz estelar foi detectada em um quasar.
As imagens dos dois quasares foram tiradas em comprimentos de onda infravermelhos de 3,56 e 1,50 mícron com o instrumento NIRCam do JWST, e as galáxias hospedeiras tornaram-se aparentes depois de modelar cuidadosamente e subtrair o brilho dos buracos negros em acreção. A assinatura estelar da galáxia hospedeira também foi vista em um espectro obtido pelo NIRSPEC do JWST para J2236+0032, dando suporte adicional à detecção da galáxia hospedeira.
Análises da fotometria da galáxia hospedeira descobriram que essas duas galáxias hospedeiras quasares são massivas, medindo 130 e 34 bilhões de vezes a massa do Sol, respectivamente. A medição da velocidade do gás turbulento nas proximidades dos quasares do espectro NIRSPEC sugere que os buracos negros que os alimentam também são massivos, medindo 1,4 e 0,2 bilhão de vezes a massa do Sol. A proporção entre a massa do buraco negro e a massa da galáxia hospedeira é semelhante à das galáxias no passado mais recente, sugerindo que a relação entre os buracos negros e seus hospedeiros já existia 860 milhões de anos após o Big Bang.
Ding, Silverman, Onoue e seus colegas continuarão este estudo com uma amostra maior usando observações programadas do JWST do Ciclo 1, que restringirão ainda mais os modelos para a coevolução de buracos negros e suas galáxias hospedeiras. A equipe soube recentemente que recebeu tempo adicional para o JWST em seu próximo ciclo para estudar a galáxia hospedeira de J2236+0032 com muito mais detalhes.
Os detalhes deste estudo serão publicados em Natureza em 28 de junho.
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