Buracos negros supermassivos controlam formação das estrelas em galáxias massivas

ESO/WFI, MPIfR/ESO/APEX/A. Weiss et al., NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.

O poder de um buraco negro supermassivo pode ser visto nesta imagem de Centauro A, um dos núcleos galácticos ativos mais próximos da Terra.

As galáxias jovens resplandecem com novas estrelas brilhantes que se formam a um ritmo elevado, mas a formação estelar eventualmente para quando uma galáxia evolui.

Um novo estudo, publicado dia 1 de janeiro na revista Nature, mostra que a massa do buraco negro no centro da galáxia determina quando a “extinção” de formação estelar ocorre.

Cada galáxia massiva tem um buraco negro supermassivo central, com mais de um milhão de vezes a massa do Sol, revelando a sua presença através dos efeitos gravitacionais nas estrelas da galáxia e por vezes alimentando a radiação energética de um núcleo galáctico ativo.

Pensa-se que a energia que a galáxia recebe do núcleo galáctico ativo desliga a formação estelar através do aquecimento e dissipação do gás que, de outra forma, se condensaria em estrelas à medida que arrefecia.

Esta ideia já existe há décadas e os astrofísicos descobriram que as simulações da evolução galáctica devem incorporar feedback do buraco negro a fim de reproduzir as propriedades observadas das galáxias. Mas as evidências observacionais de uma ligação entre os buracos negros supermassivos e a formação estelar não existiam, até agora.

“Temo-nos debruçado no feedback para fazer com que as simulações funcionem, sem realmente saber como é que acontece,” comenta Jean Brodie, professora de astronomia e astrofísica da Universidade da Califórnia em Santa Cruz, coautora do artigo.

Esta é a primeira evidência observacional direta onde podemos ver o efeito do buraco negro na história da formação estelar da galáxia.”

Os novos resultados revelam uma interação contínua entre a atividade do buraco negro e a formação estelar ao longo da vida de uma galáxia, afetando todas as gerações de estrelas formadas à medida que a galáxia evolui.

Liderado pelo autor principal Ignacio Martín-Navarro, investigador pós-doutorado da mesma universidade norte-americana, o estudo focou-se nas galáxias massivas para as quais a massa do buraco negro central já foi medida em estudos anteriores através da análise dos movimentos das estrelas perto do centro da galáxia.

Para determinar as histórias de formação estelar das galáxias, Martín-Navarro examinou os espectros detalhados da luz obtidos pelo Levantamento de Galáxias Massivas do Telescópio Hobby-Eberly.

A espectroscopia permite aos astrónomos separar e medir os diferentes comprimentos de onda da luz de um objeto.

Martín-Navarro utilizou técnicas computacionais para analisar o espectro de cada galáxia e recuperar a sua história de formação estelar, encontrando a melhor combinação de populações estelares que mais se adequa aos dados espectroscópicos. “Diz-nos a quantidade de luz oriunda das várias populações estelares com idades diferentes,” realça.

Quando comparou as histórias de formação estelar de galáxias com buracos negros de diferentes massas, encontrou diferenças marcantes. Estas diferenças só se correlacionaram com a massa do buraco negro e não com a morfologia, tamanho e outras propriedades galácticas.

“Para as galáxias com a mesma massa de estrelas, mas um buraco negro de massa diferente no centro, as galáxias com buracos negros maiores ‘apagaram-se’ mais cedo e mais depressa do que aquelas com buracos negros mais pequenos. Portanto, a formação estelar durou mais tempo nas galáxias com buracos negros centrais menores,” explica Martín-Navarro.

Outros investigadores procuraram correlações entre a formação estelar e a luminosidade dos núcleos galácticos ativos, sem sucesso. Martín-Navarro disse que tal pode ser devido às escalas de tempo serem tão diferentes, com a formação estelar ocorrendo ao longo de centenas de milhões de anos, enquanto as explosões dos núcleos galácticos ativos ocorrem em períodos mais curtos.

Um buraco negro supermassivo só é luminoso quando está a engolir ativamente matéria das regiões internas da sua galáxia hospedeira. Os núcleos galácticos ativos são altamente variáveis e as suas propriedades dependem do tamanho do buraco negro, da taxa de acreção de material que cai na sua direção e de outros fatores.

“Nós usámos a massa do buraco negro como ‘proxy’ para a energia lançada para a galáxia pelo núcleo galáctico ativo, porque a acreção em buracos negros mais massivos leva a um feedback mais energético dos núcleos galácticos ativos, o que extinguiria a formação estelar mais rapidamente,” explica Martín-Navarro.

Segundo o coautor Aaron Romanowsky, astrónomo da Universidade Estatal de San Jose e dos Observatórios da Universidade da Califórnia, a natureza precisa do feedback do buraco negro que trava a formação estelar permanece incerta.

“Existem várias maneiras pelas quais um buraco negro lança energia para a galáxia e os teóricos têm muitas ideias sobre o modo como esta extinção acontece, mas para encaixar estas novas observações nos modelos precisamos de continuar a trabalhar,” conclui Romanowsky.

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