Buraco negro supermassivo foi expulso de galáxia que habitava e está vagando pelo Universo

Buracos negros supermassivos são objetos com massas entre milhões e bilhões de massas solares e estão localizados no centro da maioria das galáxias observadas. Evidências indicam que praticamente todas as galáxias elípticas e espirais, incluindo a Via Láctea com o Sagitário A*, abrigam um buraco negro supermassivo central. Esses objetos exercem forte influência gravitacional no núcleo galáctico e parecem ter uma correlação com a evolução das galáxias.

Ainda não sabemos qual é a origem dos buracos negros supermassivos e nem como eles foram parar no centro das galáxias ou porquê todas galáxias tem um. Observações mostram que há correlações entre a massa do buraco negro e propriedades globais da galáxia hospedeira, como a dispersão de velocidades das estrelas no bojo e a massa estelar total. Essas correlações sugerem que pode ter uma coevolução entre galáxias e seus buracos negros centrais. No entanto, ainda é incerto se os buracos negros supermassivos surgiram primeiro ou se as galáxias surgiram primeiro.

Recentemente, observações com o telescópio espacial James Webb revelaram evidências de um buraco negro supermassivo aparentemente expulso de sua galáxia hospedeira. Os dados mostram que há um rastro de emissão mostrando que o buraco negro pode ter sido ejetado do centro da galáxia. O grupo de pesquisadores analisaram as propriedades da trajetória do buraco negro supermassivo para entender como aconteceu o processo de ejeção. Esse é um caso raro observado de um buraco negro supermassivo que estará vagando pelo Universo.

Buracos negros supermassivos

Buracos negros são objetos que existem em um intervalo de massa que pode ir desde alguns milhões de massas solares até vários bilhões de massas solares. Quando um buraco negro está nessa faixa de massa, ele é chamado de buraco negro supermassivo. Esses objetos estão localizados no centro de galáxias e já foram observados diretamente pelo Event Horizon Telescope com as fotos do M87* e do Sagitário A* divulgadas em 2019 e 2022, respectivamente.

Quando esses objetos estão em fase ativa, eles acretam matéria e formam um disco quente e energético. Esse disco produz radiação e, em alguns casos, jatos relativísticos que podem se estender por vários anos-luz. Além disso, os buracos negros supermassivos exibem correlações com propriedades das galáxias hospedeiras. Essas correlações sugerem um processo de coevolução entre o crescimento do buraco negro e a formação da galáxia. Isso indica também que há um processo mediado por feedback energético do buraco negro que regula a formação estelar.

Mistério desses objetos

Apesar de décadas de observaçõesd esses objetos, ainda não se sabe como buracos negros supermassivos se formaram nem como chegaram ao centro das galáxias. Esse permanece como um dos principais mistérios da evolução dos objetos no Universo. Os principais cenários de formação incluem o colapso direto de nuvens primordiais de gás ou o crescimento gradual de sementes menores por acreção e fusões. Nenhum desses modelos explica de forma completa a existência desses objetos quando o Universo tinha menos de um bilhão de anos.

O telescópio espacial James Webb foi projetado justamente para investigar esse problema ao observar galáxias em redshifts altos, ou seja, quando o Universo era jovem. Seus dados permitem identificar candidatos a buracos negros primordiais, medir taxas de acreção e caracterizar as primeiras galáxias. Ao mapear a coevolução entre buracos negros e suas galáxias hospedeiras no Universo jovem, o James Webb nos ajuda a entender melhor como pode ter sido o processo de formação.

O buraco negro que foi expulso

Com esse objetivo, um grupo de pesquisadores usaram observações do James Webb para estudar buracos negros supermassivos. Em algumas dessas observações, o gripo encontrou um caso de um buraco negro supermassivo que foi expulso de sua galáxia hospedeira. Segundo a análise, o objeto possui cerca de 10 milhões de massas solares e se desloca a aproximadamente 1000 km/s. Essa velocidade chamou atenção porque ela é relativamente alta se comparada com alguns processos dinâmicos das galáxias.

A expulsão de um buraco negro supermassivo pode acontecer após a fusão de dois buracos negros supermassivos. Os dados do JWST mostram que o buraco negro em fuga está interagindo com o meio interestelar, produzindo uma estrutura em escala galáctica e um rastro com cerca de 200.000 anos-luz atrás de si. Nesse rastro, o gás é comprimido e resfriado, desencadeando episódios de formação estelar. Em outras palavras, o buraco negro deixou um rastro de estrelas se formando atrás de si.

Como buracos negros escapam?

Buracos negros supermassivos podem escapar de suas galáxias por meio de um processo chamado de gravitational recoil. O gravitational recoil é um efeito relativístico que ocorre após a fusão de dois buracos negros que emitem ondas gravitacionais que transportam momento linear de forma desigual. Como consequência, o buraco negro formado acaba levando um “chute” que pode expulsar ele de sua galáxia caso for intenso o suficiente e atingir velocidades maiores do que a velocidade de escape.

Um segundo mecanismo pelo qual buracos negros conseguem ser chutados das suas galáxias envolve interações dinâmicas de três corpos no centro de galáxias em fusão. Se uma galáxia já contém um sistema binário de buracos negros supermassivos e um terceiro buraco negro é introduzido durante uma nova fusão, o sistema torna-se instável. A redistribuição de energia e momento orbital faz com que um dos buracos negros seja acelerado e expulso do sistema.

Referência da notícia

van Dokkum et al. JWST Confirmation of a Runaway Supermassive Black Hole via its Supersonic Bow Shock arXiv