Dados de acompanhamento deixaram claro que esses objetos eram extraordinariamente distantes. Mesmo os mais próximos de nós levaram 12 bilhões de anos para que sua luz chegasse até nós. Como olhar para o espaço é também olhar para o passado, vemos esses objetos como eles apareceram há 12 bilhões de anos, aproximadamente 1,8 bilhões de anos após o Big Bang.

Teorias Iniciais Apontam para Galáxias Massivas e Jovens

Essa descoberta levantou questões difíceis. Para interpretar qualquer observação astronômica, os pesquisadores dependem de modelos que descrevem como diferentes tipos de objetos devem parecer. Os astrônomos podem identificar um estrela com confiança apenas porque entendem as estrelas como enormes esferas de plasma mantidas unidas pela gravidade, gerando energia por meio da fusão nuclear. Eles também sabem como as estrelas devem aparecer em imagens e em medições detalhadas de sua luz conhecidas como espectros. Quando um objeto coincide tanto em aparência quanto em espectro, ele pode ser classificado de forma confiável.

Os pequenos pontos vermelhos não se alinharam com nenhuma categoria familiar, então os astrônomos começaram a considerar explicações mais extremas. Uma proposta inicial sugeriu que esses objetos eram galáxias incomumente densas, repletas de gigantescas quantidades de estrelas, com sua cor avermelhada causada por camadas espessas de poeira. Para visualizar essa densidade, imagine colocar o sistema solar dentro de um cubo de um ano-luz de cada lado. Em nossa região do espaço, aquele cubo conteria apenas o Sol. Nas galáxias propostas, o mesmo cubo conteria várias centenas de milhares de estrelas.

No nosso universo, apenas o núcleo central da Via Láctea tem densidades de estrelas remotamente comparáveis, e essa região ainda contém apenas cerca de um milésimo das estrelas necessárias para os modelos dos pequenos pontos vermelhos. Se essas galáxias realmente acumulassem centenas de bilhões de massas solares em estrelas menos de um bilhão de anos após o Big Bang, isso desafiaria teorias básicas sobre como as galáxias se formam. Como observa o coautor Bingjie Wang (Universidade Penn State), “O céu noturno de tal galáxia seria deslumbrantemente brilhante. Se essa interpretação estiver correta, implica que as estrelas se formaram através de processos extraordinários que nunca foram observados antes.”

Galáxias ou Núcleos Galácticos Ativos? Uma Divisão Científica

Um debate rapidamente surgiu. Alguns pesquisadores favoreciam a ideia de galáxias ricas em estrelas e pesadas em poeira, enquanto outros argumentavam que os pequenos pontos vermelhos eram na verdade núcleos galácticos ativos obscurecidos por grandes quantidades de poeira. Núcleos galácticos ativos ocorrem quando material espirala-se para dentro do buraco negro central de uma galáxia, formando um disco de acreção extremamente quente. No entanto, essa interpretação também enfrentou problemas. Os espectros dos pequenos pontos vermelhos diferiam significativamente dos núcleos galácticos ativos conhecidos que foram avermelhados pela poeira. O cenário também exigia que esses objetos abrigassem buracos negros supermassivos com massas extremamente grandes, e muito mais deles do que o esperado, considerando quantos pequenos pontos vermelhos o JWST detectou.

Apesar das desavenças, os astrônomos concordaram em um ponto. Para resolver o mistério, eles precisavam de mais dados. As descobertas iniciais do JWST ofereceram imagens, mas entender a física exigia espectros, que revelam quanta luz os objetos emitem em diferentes comprimentos de onda. Conseguir tais observações é desafiador, pois o tempo em grandes telescópios é altamente disputado. Assim que a importância dos pequenos pontos vermelhos ficou clara, muitos grupos começaram a solicitar tempo de observação. Uma das propostas bem-sucedidas foi o programa RUBIES, liderado por Anna de Graaff do Instituto Max Planck para Astronomia, uma abreviação para “Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey.”

O Estudo RUBIES Revela um Exemplo Extremo

Entre janeiro e dezembro de 2024, a equipe do RUBIES utilizou quase 60 horas de tempo do JWST para coletar espectros de 4500 galáxias distantes, produzindo um dos maiores conjuntos de dados espectroscópicos do JWST até agora. Segundo Raphael Hviding (MPIA), “Nesse conjunto de dados, encontramos 35 pequenos pontos vermelhos. A maioria deles já havia sido encontrada usando imagens do JWST disponíveis publicamente. Mas os que eram novos se mostraram ser os objetos mais extremos e fascinantes.” A descoberta mais impressionante ocorreu em julho de 2024: um exemplo extraordinariamente distante que nomearam de “The Cliff,” cuja luz viajou 11,9 bilhões de anos para nos alcançar (deslocamento para o vermelho z=3,55). Suas propriedades sugeriram que era um representante especialmente intenso da população dos pequenos pontos vermelhos e, portanto, um objeto crucial para testar quaisquer teorias sobre eles.

The Cliff ganhou seu nome devido a uma característica dramática em seu espectro. Naquilo que normalmente estaria na região do ultravioleta, o espectro mostrou um aumento muito acentuado. Devido à expansão do universo, essa comprimento de onda foi esticada para quase cinco vezes seu valor original, colocando-a no infravermelho próximo, um processo chamado de redshift cosmológico. Esse aumento súbito é conhecido como “quebra de Balmer.” Quebras de Balmer aparecem em galáxias comuns, especialmente naquelas que estão formando poucas ou nenhuma nova estrela, mas são muito mais fracas do que o que foi visto em The Cliff.

Testando Cada Explicação Conhecida

A quebra de Balmer inusitadamente acentuada colocou The Cliff em desacordo com ambas as interpretações principais para os pequenos pontos vermelhos. De Graaff e seus colegas testaram uma ampla gama de modelos de galáxias e núcleos galácticos ativos contra o espectro do objeto, tentando reproduzir suas características. Todos os modelos falharam.

Anna de Graaff diz: “As propriedades extremas de The Cliff nos forçaram a voltar à prancheta e criar modelos totalmente novos.” Nessa época, um estudo de setembro de 2024 de pesquisadores da China e do Reino Unido sugeriu que algumas características da quebra de Balmer poderiam vir de fontes além de estrelas. A equipe de De Graaff já havia começado a considerar uma ideia relacionada. Quebras de Balmer podem aparecer nos espectros de estrelas únicas, muito quentes e jovens, assim como em galáxias que contêm muitas dessas estrelas. Estranhamente, The Cliff se assemelhou mais ao espectro de uma estrela muito quente do que ao de uma galáxia inteira.

Um Novo Modelo Emergente: A Estrela Buraco Negro (BH*)

Baseando-se nessa ideia, de Graaff e seus colaboradores introduziram um novo conceito que eles chamam de “estrela buraco negro,” representado como BH*. Neste modelo, o motor central é um núcleo galáctico ativo contendo um buraco negro supermassivo com um disco de acreção, mas em vez de poeira, todo o sistema é envolto em uma camada espessa de gás hidrogênio que avermelha a luz emitida. Os objetos BH* não são verdadeiras estrelas porque não possuem fusão nuclear em seus centros. O gás ao redor deles também é muito mais turbulento do que qualquer coisa encontrada na atmosfera de uma estrela normal. No entanto, a situação física básica é comparável. O núcleo galáctico ativo aquece o envelope de gás circundante de uma maneira que se assemelha à forma como a fusão aquece as camadas externas de uma estrela, produzindo uma aparência similar.

Os modelos apresentados pela equipe servem como provas de conceito iniciais. Eles ainda não são correspondências perfeitas aos dados, mas reproduzem as características observadas de forma mais bem-sucedida do que qualquer modelo anterior. O aumento acentuado no espectro que inspirou o nome The Cliff pode ser explicado por um envelope esférico de gás turbilhonante denso ao redor de um núcleo galáctico ativo. Se essa interpretação estiver correta, The Cliff representaria um caso extremo dominado pela estrela buraco negro central, enquanto os outros pequenos pontos vermelhos conteriam misturas variadas de luz de BH* e luz de estrelas e gás ao redor.

Implicações para o Rápido Crescimento das Galáxias Primitivas

Se os objetos BH* são reais, eles podem ajudar a esclarecer outro enigma antigo. Trabalhos teóricos anteriores sobre buracos negros de massa intermediária um pouco menores sugeriram que uma configuração envolta em gás como essa poderia permitir um crescimento muito rápido do buraco negro no universo primitivo. O JWST já revelou evidências de buracos negros incomumente massivos em tempos iniciais. Se as estrelas buracos negros supermassivos crescerem de maneira similar, elas poderiam fornecer um novo mecanismo para explicar esse crescimento rápido. Permanece incerto se os objetos BH* podem atingir isso, mas se conseguirem, isso influenciaria significativamente os modelos de evolução das galáxias primitivas.

Mesmo com esses insights promissores, é necessário cautela. Os resultados são brandos e seguem a prática padrão de relatar trabalhos científicos apenas após aceitação em revistas revisadas por pares. Se essas ideias se tornarão amplamente aceitas dependerá de mais evidências coletadas nos anos seguintes.

Mistérios Remanescentes e Futuros Observações

As novas descobertas marcam um grande passo, oferecendo o primeiro modelo capaz de explicar a quebra de Balmer extrema de The Cliff. No entanto, também levantam novas perguntas. Como poderia uma estrela buraco negro se formar em primeiro lugar? O que permite que seu envelope de gás incomum persista por longos períodos (especialmente uma vez que o buraco negro consome o gás e deve ser de alguma forma reabastecido)? Como surgem as outras características espectrais de The Cliff?

Abordar essas questões exigirá tanto modelagem teórica quanto mais observações. A equipe de De Graaff já tem observações de acompanhamento programadas com o JWST para o próximo ano, visando The Cliff e outros pequenos pontos vermelhos especialmente interessantes.

Estudos futuros ajudarão a determinar se as estrelas buracos negros realmente desempenharam um papel na formação das galáxias mais antigas. A possibilidade é intrigante, mas longe de ser resolvida.

Contexto e Equipe de Pesquisa

O trabalho descrito aqui foi aceito para publicação como A. de Graaff et al., “A remarkable Ruby: Absorption in dense gas, rather than evolved stars, drives the extreme Balmer break of a Little Red Dot at z = 3.5” na Astronomy & Astrophysics. Um artigo complementar liderado por Raphael Hviding, apresentando o conjunto mais amplo de pequenos pontos vermelhos do levantamento RUBIES, também foi publicado na mesma revista sob o título “RUBIES: A spectroscopic census of little red dots — All point sources with v-shaped continua have broad lines.”

Os pesquisadores envolvidos incluem Anna de Graaff, Hans-Walter Rix e Raphael E. Hviding do Instituto Max Planck para Astronomia, juntamente com Gabe Brammer (Cosmic Dawn Center), Jenny Greene (Universidade de Princeton), Ivo Labbe (Universidade de Swinburne), Rohan Naidu (MIT), Bingjie Wang (Universidade Penn State e Universidade de Princeton) e outros colaboradores.