O Telescópio James Webb decifra buracos negros no universo primitivo

Observações recentes realizadas pelo Telescópio Espacial James Webb de dois quasares desde o início do Universo revelam informações importantes sobre a relação inicial entre os buracos negros e as suas galáxias, espelhando as proporções de massa observadas no Universo mais recente.

Novas imagens obtidas pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST) revelaram, pela primeira vez, a luz estelar de duas galáxias massivas que albergam buracos negros em crescimento activo – quasares – vistos menos de mil milhões de anos após o Big Bang. Os buracos negros têm uma massa cerca de mil milhões de vezes a do Sol, e as massas das suas galáxias hospedeiras são cerca de cem vezes maiores, uma proporção semelhante à encontrada no Universo mais jovem. Uma combinação poderosa do levantamento de campo amplo do Telescópio Subaru e do Telescópio Espacial James Webb abriu uma nova maneira de estudar o universo distante, de acordo com um estudo recente de 2016. natureza.

As observações de buracos negros gigantes têm atraído a atenção dos astrônomos nos últimos anos. O Event Horizon Telescope (EHT) começou a imaginar a “sombra” dos buracos negros nos centros das galáxias. O Prêmio Novela em Física de 2020 foi concedido por observações do movimento estelar no coração de uma galáxia. via Láctea. Embora a existência de tais buracos negros gigantes esteja bem estabelecida, ninguém sabe a sua origem.

Os astrónomos relataram a existência de buracos negros com uma massa de mil milhões de massas solares durante os primeiros mil milhões de anos do Universo. Então, como é que estes buracos negros poderiam crescer até se tornarem tão grandes quando o Universo era tão jovem? Ainda mais intrigante é que as observações no universo local mostram uma relação clara entre a massa dos buracos negros supermassivos e as galáxias mais massivas em que residem. Galáxias e buracos negros têm tamanhos completamente diferentes, então o que veio primeiro: buracos negros ou galáxias? Este é um problema do “ovo ou da galinha” em nível cósmico.

Imagem JWST NIRCam de 3,6 µm de HSC J2236+0032. A imagem em miniatura, a imagem do quasar e a imagem da galáxia hospedeira após subtrair a luz do quasar (da esquerda para a direita). A escala da imagem é indicada em anos-luz em cada painel. Crédito: Ding, Ono, Silverman et al.

Uma equipe internacional de pesquisadores é liderada por Masafusa Ono, Kavli Fellow for Astrophysics no Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (KIAA) da Universidade de Pequim, e Shuheng Ding, pesquisador do Kavli Institute for Cosmic Physics and Mathematics (Kavli IPMU ). ), e John Silverman, professor Kavli no IPMU, decidiram responder a esta questão usando Telescópio Espacial James Webb (JWST), um telescópio espacial de 6,5 metros desenvolvido através de uma colaboração internacional entre… NASAo Agência Espacial Europeia (ESA) e a Agência Espacial Canadense (CSA), e foram lançados em dezembro de 2021.

Os quasares são luminosos, enquanto as suas galáxias hospedeiras são fracas, o que tornou difícil para os investigadores detectarem luz galáctica ténue no brilho do quasar, especialmente a longas distâncias. “Encontrar as galáxias hospedeiras dos quasares no redshift 6 é como tentar localizar vaga-lumes em um show espetacular de fogos de artifício usando óculos embaçados. As galáxias hospedeiras são incrivelmente fracas e a resolução da imagem era muito limitada, mesmo com telescópio espacial Hubble“O que torna revelar a sua beleza oculta um verdadeiro desafio”, diz Xuheng Ding.

Conceito artístico do Telescópio Espacial James Webb da NASA. Fonte da imagem: NASA, ESA e Northrop Grumman

A equipe observou dois quasares com o Telescópio Espacial James Webb, HSC J2236+0032 e HSC J2255+0251, em redshifts de 6,40 e 6,34, quando o universo tinha cerca de 860 milhões de anos. Estes dois quasares foram originalmente descobertos através de um levantamento em grande escala do telescópio Subaru de 8,2 metros, com o qual a equipa de investigação identificou mais de 160 quasares até à data. As luminosidades relativamente baixas destes quasares tornam-nos alvos principais para medir as propriedades da sua galáxia hospedeira, e a descoberta bem sucedida dos hospedeiros representa a primeira época até à data em que a luz estelar foi detectada num quasar.

Imagens de quasares em comprimentos de onda infravermelhos de 3,56 e 1,50 mícrons foram capturadas usando o instrumento NIRCam do JWST, e as galáxias hospedeiras tornaram-se aparentes após cuidadosa modelagem e subtração do brilho dos buracos negros em acreção. A assinatura estelar da galáxia hospedeira também foi vista no espectro capturado pelo NIRSpec do JWST de J2236+0032, apoiando a descoberta da galáxia hospedeira. “Tenho estado profundamente envolvido no estudo de quasares de alto redshift da Subaru desde os meus anos de doutoramento no Observatório Astronómico Nacional do Japão. Estou extremamente orgulhoso da detecção bem sucedida da luz estelar dos quasares HSC que encontrámos com a Subaru,” diz Masafusa Onoe.

O pesquisador do projeto Kavli IPMU, Xuheng Ding, o professor John Silverman e o Kavli Astrophysics Fellow, Masafusa Onoue, do Instituto Kavli de Astronomia e Astrofísica (PKU-KIAA) (da esquerda). Crédito: Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue

Através de observações, a equipe descobriu que… Buraco negro A massa da galáxia hospedeira é semelhante à observada no universo mais jovem. O resultado sugere que a relação entre os buracos negros e os seus hospedeiros já existia durante os primeiros mil milhões de anos após a explosão. a grande explosão. A equipa continuará este estudo com uma amostra maior de quasares distantes, com o objetivo de restringir a história de crescimento co-evolutivo dos buracos negros e das suas galáxias-mãe ao longo do tempo cósmico. Estas observações irão restringir os modelos da co-evolução dos buracos negros e das suas galáxias hospedeiras.

Leia mais sobre esta descoberta em Pesquisadores descobrem galáxias hospedeiras de quasar no universo primitivo.

Referência: “Detectando luz estelar de galáxias hospedeiras de quasar em redshifts superiores a 6” por Shuheng Ding, Masafusa Onui, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud Janke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Voluntieri, Zoltan Heymann, Erham Tawfik Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebecca Perry, Sarah E. Bosman, Connor Bottrell, Anna-Kristina Ehlers, Seiji Fujimoto, Melanie Haposet, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kishikawa, Toshihiro. Kawaguchi, Kotaro Kohno, Shin-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Liu, Toru Nagao, Roderick Overzer, Jan Torg Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasako, Yoshiki Toba, Benny Trachtenbrot, Maxim Trebich, Tommaso Trieu, Hideki Umehata, Bram B. Vennemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feig Wang e Jenny Yang, 28 de junho de 2023, natureza.
doi: 10.1038/s41586-023-06345-5