Astrônomos descobrem novo tipo de objeto astrofísico: uma 'estrela de buraco negro' do tamanho do Sistema Solar

Astrônomos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e de outras instituições detectaram um ponto vermelho extremamente brilhante no universo primordial. Esse objeto assemelha-se a uma estrela gigantesca, com o tamanho do nosso Sistema Solar. No entanto, ele emite 100 bilhões de vezes mais energia do que qualquer estrela conhecida consegue produzir fisicamente. Na verdade, essa energia aproxima-se mais do que um buraco negro poderia gerar.

Essa combinação curiosa sugere que o ponto vermelho é um tipo totalmente novo de fonte astrofísica. Os astrônomos o batizaram de "estrela de buraco negro".

Em um artigo recente publicado na revista Nature, a equipe apresenta sua análise do novo objeto, descoberto com o uso do Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA. O telescópio detectou o ponto vermelho brilhante no universo primordial, apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang.

Os cientistas concluem que a explicação mais provável para o estranho ponto vermelho é que se trata da fusão entre um buraco negro e uma estrela — uma combinação nunca antes observada. É provável que o objeto seja uma nuvem de gás extremamente densa, alimentada não pela fusão nuclear convencional, mas por um buraco negro central.

"Nossa compreensão desse objeto está evoluindo muito rapidamente", diz o autor principal do estudo Rohan Naidu. "Acreditamos que exista um buraco negro central 100 mil vezes mais massivo que o Sol. E, ao redor desse buraco negro, haveria um envelope de gás muito extenso, semelhante a uma estrela do tamanho do Sistema Solar. É enorme", acrescenta ele.

Se o ponto vermelho brilhante for realmente uma 'estrela de buraco negro', isso ajudaria a solucionar o mistério sobre a identidade de outros "pequenos pontos vermelhos" que apareceram em praticamente todas as imagens do espaço profundo captadas pelo Telescópio Espacial James Webb até o momento.

"Esses pequenos pontos vermelhos parecem estar por toda parte no universo primordial, mas praticamente desaparecem nos dias de hoje", diz Naidu. "A natureza exata desses objetos tem sido um dos temas mais debatidos da era do JWST".

Uma fonte única

Naidu e seus colegas não pretendiam encontrar uma estrela alimentada por buraco negro. Eles buscavam as galáxias mais distantes e antigas, como parte de um estudo que chamaram de "Miragem ou Milagre" (MoM). A equipe utilizou o Telescópio Espacial James Webb (JWST) para observar o espaço profundo, remontando a uma época em que o universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos. O objetivo era encontrar galáxias formadas nesses primórdios.

"Havia um mistério: o surgimento de muitas galáxias brilhantes em épocas extremamente remotas", explica Naidu. "O que descobrimos foi que aquilo que parece ser uma galáxia antiga extremamente brilhante — um 'milagre' — pode, em alguns casos, ser na verdade uma 'miragem'".

"Quando vemos algo muito vermelho no universo, geralmente presumimos que esteja cercado por poeira, como fuligem ou cinzas", explica Robert Simcoe, coautor do estudo. "Assim como a fumaça dos incêndios florestais no Canadá deixou recentemente o céu de Boston com um tom vermelho vivo, objetos astronômicos também podem parecer mais vermelhos do que sua cor intrínseca quando observados através de uma camada de poeira".

No entanto, a luz apresentava outras características que não correspondiam exatamente ao que os físicos esperam da poeira. A equipe também observou outro padrão estranho: a luz proveniente do ponto era extremamente intensa, exceto abaixo de certos comprimentos de onda, nos quais desaparecia completamente.

Essa queda espectral é conhecida como "descontinuidade de Balmer", uma característica tradicionalmente associada a gás denso que absorve fótons nas atmosferas de estrelas com centenas de milhões de anos de idade. Vega, uma das estrelas mais brilhantes do céu noturno, apresenta exatamente esse padrão.

"A descontinuidade que observamos neste objeto é a mais acentuada que já vimos em qualquer objeto, o que descarta estrelas 'comuns' como a fonte", diz Naidu. "Mas isso nos levou a questionar se estávamos diante de um novo tipo de 'atmosfera estelar', porém em uma escala espetacular".

Além disso, a luz do ponto vermelho não continha praticamente nenhum vestígio de metais ou de quaisquer outros elementos além de hidrogênio e hélio. "Era algo verdadeiramente único sob muitos aspectos", afirma Naidu.

Luz pura

Para determinar qual poderia ser a origem da mancha vermelha, a equipe realizou simulações de diferentes cenários a fim de verificar que combinação de características astrofísicas poderia produzir a cor característica da mancha.

"Começamos nos perguntando: seria possível criar algo tão vermelho usando apenas hidrogênio, sem poeira?", diz Simcoe. "Para nossa surpresa, descobrimos que é possível, desde que se tenha uma camada de hidrogênio extremamente densa — tão densa que se assemelha mais à superfície de uma estrela gigantesca do que a uma tênue nebulosa interestelar".

As simulações sugeriram que a mancha vermelha poderia ser uma poderosa fonte de energia oculta, cercada por um denso envelope de hidrogênio. Se isso fosse verdade, explicaria a descontinuidade de Balmer que bloqueia a luz e a ausência de quaisquer elementos além de hidrogênio e hélio, conforme observado pelos astrônomos. No entanto, isso não explicaria o brilho extremo do objeto.

"Você tem algo que se parece um pouco com uma estrela, mas é 100 bilhões de vezes mais brilhante", diz Naidu. "Isso significa que não é possível alimentá-lo por meio de fusão nuclear, que é a fonte de energia encontrada nos núcleos de todas as estrelas que conhecemos".

No entanto, buracos negros produzem energia rotineiramente nas escalas observadas pela equipe. Naidu e seus colegas incorporaram um buraco negro em processo ativo de acreção às suas simulações da estrela envolta em hidrogênio e variaram a massa do buraco negro, juntamente com outros parâmetros. Em seguida, compararam o brilho resultante da "estrela de buraco negro" simulada com o brilho que o JWST observou a partir do ponto vermelho.

Especificamente, o objeto provavelmente contém um buraco negro central com uma massa cerca de 100.000 vezes maior que a do Sol. Esse núcleo poderoso é cercado por um envelope denso de hidrogênio, semelhante a uma estrela, cujo tamanho se equipara ao do Sistema Solar.

A equipe batizou o objeto de MoM-BH-1, em referência ao estudo que o detectou, e também lhe deu o apelido de "estrela de buraco negro – um", sugerindo que ele é o primeiro de outros objetos semelhantes. Os pesquisadores suspeitam que as estrelas de buraco negro poderiam explicar muitos dos outros pequenos pontos vermelhos que aparecem nas imagens do JWST. Esses objetos não são tão brilhantes quanto o MoM-BH-1.

"Cada pequeno ponto vermelho é compatível com a natureza de uma estrela de buraco negro inserida em uma galáxia primitiva genérica", diz Naidu. "Mas o que torna o MoM-BH-1 especial é que a estrela de buraco negro ofusca completamente a galáxia hospedeira ao seu redor, de tal forma que vemos apenas a luz da estrela de buraco negro".