Little Red Dots: o ‘vapor’ de buracos negros engasgados, aponta estudo

Um modelo de vento opaco, soprado por buracos negros alimentados milhares de vezes acima do limite, reproduz o brilho, a cor e as linhas largas dos pontinhos vermelhos do James Webb, e sugere que eles são dez vezes mais leves do que se pensava.

Ilustração de um Little Red Dot: buraco negro escondido dentro de um casulo avermelhado de gás, com funis azulados nos polos
Concepção artística de um Little Red Dot segundo o novo modelo: um buraco negro escondido dentro de um casulo avermelhado de gás, o vento opaco soprado pelo excesso de matéria, com funis estreitos nos polos por onde a radiação escapa. (Ilustração: Space Today)

Os pontinhos vermelhos que o Telescópio James Webb encontrou aos montes no universo jovem podem ser buracos negros de 100 mil a 10 milhões de massas solares alimentados entre 1.500 e 5.000 vezes acima do limite de Eddington, envoltos no vento opaco que esse excesso produz, segundo um novo estudo.

Se a ideia estiver certa, os Little Red Dots deixam de ser um objeto exótico e viram um caso extremo de uma física já conhecida. E os buracos negros no centro deles seriam cerca de dez vezes mais leves do que as estimativas usuais indicam.

Os Little Red Dots, pequenos pontos vermelhos, apareceram nos primeiros campos profundos do Webb, em 2022 e 2023, e ganharam o apelido em 2024. São fontes compactas, com menos de 100 parsecs, cerca de 330 anos-luz, de cor avermelhada, com linhas largas de hidrogênio e quase nenhuma emissão em raios X ou rádio.

Eles são tão numerosos em desvios para o vermelho acima de 4, quando o universo tinha menos de 1,5 bilhão de anos, que a extrapolação das funções de luminosidade dos quasares não dá conta deles. Daí tantas hipóteses, de estrelas supermassivas a buracos negros envoltos em casulos de gás.

Ilustração de um campo profundo do James Webb com galáxias e um ponto vermelho compacto em destaque
Concepção artística de um campo profundo do James Webb, com um Little Red Dot se destacando entre as galáxias do universo jovem. Esses pontos compactos e avermelhados são muito mais numerosos do que a população de quasares permitiria prever. (Ilustração: Space Today)

O novo trabalho é de Jun-Rong Liu e Hua Feng, do Instituto de Física de Altas Energias da Academia Chinesa de Ciências, e de Luis C. Ho, do Instituto Kavli de Astronomia e Astrofísica da Universidade de Pequim. Eles partem da interpretação do casulo, a chamada estrela de buraco negro, e perguntam de onde ele vem.

A resposta é um vento. Quando um buraco negro recebe gás muito acima do limite de Eddington, a taxa em que a pressão da luz equilibra a gravidade, a radiação expulsa o excesso. É como uma panela de leite no fogo: passado certo ponto, a espuma transborda e o vapor esconde a panela. O Webb estaria vendo o vapor.

O trio usou um modelo analítico de 1982, de David Meier, que descreve esse vento opaco com apenas dois parâmetros, a massa do buraco negro e a taxa de acreção. O vento acelera, se expande e forma uma fotosfera, a superfície de onde a luz escapa, cercada por uma camada de elétrons que ainda espalha os fótons.

Ilustração de um buraco negro com disco brilhante e nuvens de gás sendo expulsas em um vento
Concepção artística do gás transbordando em torno do buraco negro: alimentado milhares de vezes acima do limite de Eddington, ele engole só uma fração do material e expulsa o resto em um vento opaco. (Ilustração: Space Today)

Para um buraco negro de um milhão de massas solares alimentado a 2.000 vezes a taxa de Eddington, a fotosfera tem 5.800 kelvin e fica a 5,22 × 10¹⁶ centímetros do centro, 3.500 vezes a distância da Terra ao Sol, o tamanho da parte interna da Nuvem de Oort. O brilho equivale ao de 28 bilhões de sóis.

Comparado com 36 Little Red Dots cujos espectros já tinham sido ajustados como corpos negros, mais o análogo local The Egg, a um desvio para o vermelho de 0,1, o modelo encaixa as luminosidades de 10⁴³ a 10⁴⁵ erg por segundo e as temperaturas de 2.000 a 7.000 kelvin naquele intervalo de massas e taxas.

A chave está na camada que espalha a luz

O teste mais duro foi reproduzir a largura das linhas de emissão de 18 objetos. O vento sozinho, a 511 a 848 quilômetros por segundo, produz linhas estreitas demais. O que as alarga é o espalhamento da luz pelos elétrons livres acima da fotosfera, que cria asas longas no perfil das linhas.

Somando os dois efeitos, o modelo acerta a largura observada a menos de um fator 1,5 em 15 dos 18 objetos, sem nenhum ajuste extra. “A presença de uma região espessa de espalhamento além da fotosfera é central para decifrar as propriedades distintivas dos LRDs”, escreveram os autores no artigo.

Simulações com o código CLOUDY mostraram que o gás parcialmente ionizado acima da fotosfera, com um em cada cinco átomos de hidrogênio sem elétron, reproduz a quebra de Balmer observada. A razão entre as linhas Hα e Hβ, porém, sai abaixo de muitas medidas, que chegam a 17 quando o esperado seria 3.

A consequência mais provocadora envolve as massas. No modelo, a região das linhas largas é um vento em expansão, não gás girando em torno do buraco negro, e o método virial usado em quasares superestima a massa em cerca de dez vezes. Os buracos negros dos Little Red Dots seriam bem menores do que se calcula hoje.

Ilustração da luz de um buraco negro atravessando nuvens avermelhadas de gás e elétrons
Concepção artística da luz do buraco negro atravessando a camada de elétrons acima da fotosfera. O espalhamento alarga as linhas de emissão e, segundo o estudo, leva o método virial a superestimar as massas em cerca de dez vezes. (Ilustração: Space Today)

O buraco negro também não cresce em ritmo catastrófico. Ele engole gás perto do limite de Eddington e expele o resto, e em 100 milhões de anos de atividade a massa cresce por um fator de 9. “O modelo não exige necessariamente uma fase muito breve de crescimento catastrófico do buraco negro”, escreveram os autores no artigo.

O estudo tem limitações. O modelo é analítico e aproximadamente esférico, a fração ionizada do gás é fixada por hipótese, a amostra de larguras de linha tem só 18 objetos e nenhuma simulação alcançou taxas tão altas para prever a abertura do funil por onde a luz ultravioleta escapa. O decremento de Balmer segue sem explicação completa.

O próximo passo é levar simulações a esses regimes extremos e procurar, em objetos próximos como The Egg, os sinais do vento colidindo com o gás da galáxia.

O estudo foi publicado na revista The Astrophysical Journal Letters.

Saiba mais: https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae8dba