Os Enigmáticos ‘pontos vermelhos’ que podem revelar como se formaram os primeiros buracos negros

No estudo, publicado na The Astrophysical Journal Letters, os autores Fabio Pacucci e Abraham (Avi) Loeb sugerem que essas galáxias são o resultado de halos de matéria escura girando muito lentamente, uma estrutura cósmica extremamente rara.

Esses objetos compactos e tênues, descobertos em imagens de fundo profundo do Telescópio Espacial James Webb (JWST), desafiaram a compreensão dos cientistas sobre como as galáxias e buracos negros se formaram no início do universo.

O artigo, “Cosmic Outliers: Low-Spin Halos Explain the Abundance, Compactness, and Redshift Evolution of the Little Red Dots”, oferece uma explicação física para as propriedades distintivas desses pontos.

“Pequenos pontos vermelhos são galáxias distantes, compactas e vermelhas que estavam completamente indetectadas antes do Telescópio Espacial James Webb,” disse Pacucci. “Elas são sem dúvida a descoberta mais surpreendente do JWST até agora. Nosso trabalho mostra que poderiam se formar naturalmente em halos de matéria escura com rotação muito baixa.”

Um Enigma no Início do Universo

Essas galáxias são visíveis principalmente quando o universo tinha apenas um bilhão de anos, mas provavelmente se formaram muito antes, durante um período conhecido como o amanhecer cósmico. Apesar de serem cerca de um décimo do tamanho de galáxias típicas, observações astronômicas mostram que elas parecem incomumente brilhantes. Os astrônomos acreditam que sua cor vermelha marcante sugere que estão envoltas em poeira ou repletas de estrelas mais velhas.

Por anos, os astrônomos debateram se a luz que observamos desses objetos é gerada por estrelas ou por buracos negros supermassivos centrais.

“É um mistério fundamental,” disse Pacucci. “Se contêm buracos negros, esses buracos negros são enormes para galáxias tão pequenas. Mas se contêm apenas estrelas, as galáxias são compactas demais para abrigar todas elas, alcançando densidades centrais estelares inimagináveis.”

Em vez de se concentrar em qual fonte dá energia aos pontos luminosos, Pacucci e Loeb adotaram uma abordagem diferente: examinaram como tais objetos poderiam se formar em primeiro lugar.

O Ciclo de Baixa Rotação

Halos de matéria escura são a estrutura invisível e giratória ao redor da qual as galáxias se formam. Em seu artigo, os autores mostram que os pontos luminosos se formaram em halos que estão nos 1% mais baixos da distribuição de rotação. Em outras palavras, 99% de todos os halos giram mais rápido do que esses. Esses halos de baixa rotação criariam naturalmente galáxias extremamente compactas. Assim como os balanços em um parque de diversões, quanto mais rápido o halo gira, mais longe os balanços se estendem, fazendo com que a galáxia que se forma em seu centro se expanda; da mesma forma, uma rotação lenta mantém o raio dos balanços menor.

Essa hipótese também explica por que os pontos luminosos são relativamente raros: eles representam apenas 1% da abundância de galáxias típicas, mas são mais comuns que quasares, os centros extremamente brilhantes de buracos negros supermassivos que brilham no centro de algumas galáxias.

Além disso, a teoria ajuda a esclarecer por que os pontos luminosos só são observados durante um breve período de um bilhão de anos no início do universo. À medida que o universo evolui, os halos de matéria escura crescem e ganham mais momento angular, tornando mais difícil formar galáxias compactas de baixa rotação.

“Os halos de matéria escura são caracterizados por uma velocidade de rotação: alguns giram muito lentamente e outros giram mais rapidamente,” disse Loeb. “Mostramos que, se você supuser que os pequenos pontos vermelhos estão tipicamente no primeiro percentil da distribuição de rotação dos halos de matéria escura, então você explica todas as suas propriedades observacionais.”

Ambientes Ideais para Buracos Negros

Embora o artigo não resolva se os pequenos pontos vermelhos são alimentados por estrelas ou buracos negros, sugere que são ambientes ideais para o crescimento rápido de estrelas ou buracos negros.

“Halos de baixa rotação tendem a concentrar massa no centro, o que facilita para um buraco negro acumular matéria ou para estrelas se formarem rapidamente,” disse Pacucci.

Alguns dos pontos mostram linhas de emissão largas em seus espectros, que são possíveis sinais de buracos negros ativos, mas carecem da emissão de raios-X tipicamente associada a eles. Pacucci está liderando novos programas para entender melhor a natureza dessas fontes astrofísicas peculiares. Por exemplo, encontrar galáxias semelhantes nas proximidades esclarecerá o que elas evoluem para longe no espaço.

“Nosso trabalho é um passo em direção à compreensão desses objetos misteriosos,” disse ele. “Eles podem ajudar a entender como os primeiros buracos negros se formaram e co-evoluíram com as galáxias no início do universo.”