Telescópio Webb captou «universo que não deveria existir»: buracos negros enormes, galáxias estranhamente brilhantes, teoria do Big Bang errada?

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) continua a capturar um universo primitivo que a teoria não consegue explicar: buracos negros que crescem demasiado depressa, galáxias antigas demasiado brilhantes e centenas de misteriosos objetos celestes nunca antes vistos, os 'pontos vermelhos'. (Contexto anterior: Presos no espaço durante 9 meses - Dois astronautas da NASA finalmente voltam para casa, mas sofrem sequelas parecendo ter envelhecido dez anos) (Contexto adicional: A NASA planeia usar blockchain para armazenar dados humanos importantes na Lua: para prevenir a destruição da Terra) Índice Alternar

• Buracos negros com massa de mil milhões de sóis
• Galáxias não só crescem demasiado depressa, como são irracionalmente brilhantes
• Pontos vermelhos: 'estrelas de buraco negro' envoltas em gás?
• Evidências contraditórias, teoria abundante

O Telescópio Espacial James Webb (JWST) tem, nos últimos anos, apontado continuamente para a suposição mais básica da astrofísica: o universo primitivo que vê não coincide em nada com as teorias existentes. Buracos negros com massa de mil milhões de sóis que já existiam menos de mil milhões de anos após o Big Bang, galáxias antigas muito mais brilhantes do que as simulações previam, e centenas de misteriosos objetos celestes nunca antes observados antes do lançamento do JWST em 2022, os 'pontos vermelhos'.

De acordo com uma reportagem da Quanta Magazine que entrevistou vários astrofísicos, esta perplexidade está a gerar uma nova vaga de teorias que tentam explicar o 'universo impossível' revelado pelo Telescópio Espacial James Webb. Os três enigmas estão interligados e, atualmente, ninguém ousa dizer qual explicação é a resposta final.

Buracos negros com massa de mil milhões de sóis

A astrofísica Jenny Greene, da Universidade de Princeton, disse à Quanta Magazine que o universo inicialmente era liso e sem características, mas poucas centenas de milhões de anos depois 'já vemos buracos negros com massa de mil milhões de sóis a crescer'. O tamanho de um buraco negro depende do tamanho da semente e da rapidez do crescimento; mas o colapso das primeiras estrelas deixa, no máximo, sementes de cerca de 100 massas solares, e para crescer até mil milhões de massas solares no início do universo, 'é preciso alimentá-los à força'.

Antigamente, pensava-se que o crescimento dos buracos negros tinha um limite superior (o limite de Eddington), mas simulações recentes mostram que, se o disco de acreção se expandir de uma forma específica, o gás pode superar a pressão de radiação, formando 'acreção super-Eddington'. Em 2024, o JWST observou um buraco negro com cerca de 1,5 mil milhões de anos após o Big Bang a consumir matéria a cerca de 40 vezes o limite de Eddington.

Outra teoria sugere que os maiores buracos negros não são originários de estrelas, mas sim de nuvens de gás gigantes que colapsam diretamente em sementes de cerca de 10 000 massas solares. Greene diz: 'Conseguimos simular buracos negros de colapso direto no computador, mas não em quantidade suficiente para explicar todos os buracos negros.'

Um estudo recente forneceu novas evidências para o colapso direto: um ponto vermelho ampliado por lente gravitacional com cerca de 750 milhões de anos após o Big Bang foi identificado como um buraco negro supermassivo 'nu', com uma massa estimada em 50 milhões de massas solares, sem estrelas identificáveis à sua volta, sugerindo que pode ter nascido como uma semente gigante antes de qualquer galáxia.

Jenny Greene afirma: 'Existem claramente diferenças na forma como os buracos negros crescem que ainda não compreendemos.'

Galáxias não só crescem demasiado depressa, como são irracionalmente brilhantes

Antes do enigma dos buracos negros ser resolvido, muitas galáxias primitivas descobertas pelo JWST também são 'demasiado brilhantes'. A cientista Rachel Somerville, do Flatiron Institute, apresentou as simulações mais recentes numa conferência em Helsingør, Dinamarca, em abril deste ano: 'Antes do desvio para o vermelho de 15 (270 milhões de anos), não acontece muita coisa; no desvio para o vermelho de 9 (550 milhões de anos), conseguimos criar uma galáxia bonita.' Mas o JWST encontrou a galáxia mais antiga existente apenas cerca de 280 milhões de anos após o Big Bang, muito antes do cronograma das simulações.

Os teóricos propuseram várias explicações: a eficiência da conversão de gás em estrelas nas galáxias primitivas pode ser maior, a formação estelar pode ocorrer em explosões intermitentes, e o ambiente primordial pode favorecer estrelas de luminosidade extremamente alta. Somerville diz com um sorriso irónico: 'Quase passámos de ter demasiadas galáxias primitivas para explicar, a ter demasiadas teorias para as explicar.'

O instrumento MIRI revelou ainda que as propriedades das galáxias primitivas variam enormemente. Hakim Atek, da Sorbonne Université, disse à Quanta Magazine: 'Algumas galáxias parecem ter esvaziado todo o gás e poeira, mostrando apenas estrelas nuas; outra está repleta de grandes quantidades de gás.'

Isto sugere que a formação estelar pode ser um ciclo de explosões sucessivas, e existe outro grupo de galáxias com teor de azoto anormalmente elevado, indicando a presença de estrelas particularmente massivas no universo primitivo.

Pontos vermelhos: 'estrelas de buraco negro' envoltas em gás?

Destes, os pontos vermelhos podem ser o enigma mais estranho.

A astrofísica Charlotte Mason, do Cosmic Dawn Center em Copenhaga, costuma usar rabiscos para entender os enigmas do universo. O seu caderno está recentemente cheio de pontos vermelhos. Este tipo de objeto celeste começou a aparecer em grande número cerca de 650 milhões de anos após o Big Bang, nunca tendo sido observado antes.

A ideia mais recente é que os pontos vermelhos podem ser buracos negros envoltos em gás espesso, representando um novo tipo de objeto celeste, a 'estrela de buraco negro', com uma camada externa de gás denso a brilhar como a atmosfera de uma estrela. Mason analisou o espectro de um ponto vermelho e, teoricamente, uma nuvem de gás denso deveria causar variações específicas na luz, mas não as observou.

Ela confessou à Quanta Magazine: 'E agora? Recomeçar. Se eu transformar o gás em blocos e desenhar buracos à volta do buraco negro, talvez obtenha um sinal mais próximo.'

Evidências contraditórias, teoria abundante

Os três enigmas juntam-se e as evidências são na verdade contraditórias. O buraco negro que em 2024 se alimentava a 40 vezes o limite de Eddington apoia a ideia de 'sementes pequenas + acreção super-Eddington'; mas o buraco negro 'nu' de 50 milhões de massas solares apoia a ideia de 'sementes grandes + colapso direto'.

Do lado das galáxias, a diversidade do MIRI também mostra que não existe um único cenário que se aplique a todas as galáxias primitivas. A observação de Greene talvez seja a mais adequada: as diferenças existem claramente, e não existe uma única resposta padrão.

A boa notícia é que as ferramentas estão a melhorar. Somerville diz que as simulações numéricas 'têm feito progressos muito significativos', fornecendo mais informações para interpretar o universo de alto desvio para o vermelho; Atek menciona que, ao emparelhar galáxias observadas com as melhores análogas em simulações, é possível reconstruir toda a história da formação estelar.

Olhando mais para trás, a radiação de galáxias e buracos negros ionizou o oceano de hidrogénio neutro, marcando o fim da idade das trevas do universo; as primeiras estrelas queimaram rapidamente o seu combustível e explodiram em supernovas, semeando novos elementos como carbono, azoto, oxigénio, fósforo e ferro, as matérias-primas para planetas e vida. A astrofísica Lise Christensen, do Cosmic Dawn Center, disse de forma direta: 'Estamos a olhar para trás, para aquilo que nos criou.' Esta pode ser a primeira oportunidade da humanidade de ver com os próprios olhos de onde viemos.