Astrofísicos Perplexos com o Novo Universo de Webb

Jay Bennett, 2 de Julho de 2026
Link para o Artigo original: [Quanta Magazine]
12 minutos

Quando Charlotte Mason reflete sobre mistérios cósmicos, gosta de rabiscar. «Sou uma pessoa bastante visual», disse. «Costumo desenhar muitos diagramas para tentar perceber o que se passa.»

Mason, astrofísica no Centro da Alvorada Cósmica (Cosmic Dawn Center) em Copenhaga, tem passado os últimos tempos a encher páginas com esboços de «pontinhos vermelhos», objetos perplexos descobertos às centenas nas imagens do Telescópio Espacial James Webb (JWST). Estes pontinhos vermelhos nunca tinham sido vistos antes de o telescópio entrar em funcionamento em 2022. Mas sabemos agora que começaram a surgir em números significativos cerca de 650 milhões de anos após o Big Bang.

Estes pontos são apenas um dos mistérios empolgantes que emergiram das observações do JWST sobre o universo primitivo. Outros incluem buracos negros que parecem impossivelmente grandes para a sua idade, bem como galáxias antigas que desafiam aquilo que pensávamos saber sobre os primeiros mil milhões de anos após o Big Bang. A princípio, os cientistas ficaram estupefactos: o universo revelado pelo JWST simplesmente não correspondia ao nosso entendimento da astrofísica. Agora, uma vaga de novas teorias oferece soluções tentadoras — mas quais delas retratam a realidade é uma questão em aberto.

Ideias recentes sugerem que os pontinhos vermelhos podem ser buracos negros envoltos em gás denso, representando possivelmente um tipo de objeto completamente novo chamado estrela de buraco negro, na qual o denso invólucro de gás emite luz como uma atmosfera estelar.

«Este seria o meu buraco negro», disse Mason, desenhando um pequeno círculo e preenchendo-o. «Posso colocar-lhe um disco, porque pensamos que é daí que vem parte da emissão.» Traçou uma linha a atravessar o centro do círculo. «Depois, a ideia ingénua é apenas esta nuvem de gás denso à volta do buraco negro.» Desenhou um círculo maior à volta do objeto.

Mas Mason acredita que pode haver mais nestes enigmas cósmicos. Ela e colegas analisaram recentemente o espetro de luz emitida por um pontinho vermelho. Se a imagem da nuvem densa estiver correta, então parte da luz deveria ter sido alterada ao passar através do gás — mas não foi o que observaram.

«E agora o que faço? Começo de novo. Mas agora se tornar o meu gás irregular», disse Mason, desenhando um novo diagrama com buracos nas nuvens à volta do buraco negro, «devo conseguir obter um sinal que pareça mais próximo.»

Por todo o mundo, investigadores como Mason estão a juntar avidamente os vislumbres do JWST sobre o cosmos antigo para criar uma imagem mais clara dos primórdios do nosso universo. E, tal como os fotões que viajam milhares de milhões de anos-luz até nós, novos fragmentos vão constantemente caindo nos seus lugares.

Os Poços Sem Fundo do Universo

A história dos buracos negros tornou-se mais complicada graças ao JWST, que não pára de detetar buracos negros antigos demasiado grandes para serem explicados pelas teorias estabelecidas — muito demasiado grandes.

Pouco depois do Big Bang, o universo era maioritariamente uniforme e liso. Depois, apenas algumas centenas de milhões de anos mais tarde, «já vemos buracos negros de mil milhões de sóis a crescer», disse Jenny Greene, astrofísica da Universidade de Princeton. «Para os tornar tão grandes tão rapidamente, é preciso fazer uma ginástica considerável.»

Os cientistas analisam dois fatores-chave que influenciam o tamanho de um buraco negro: a massa da «semente» do buraco negro quando se originou e a rapidez com que essas sementes cresceram depois. Mas é difícil explicar como os buracos negros se formaram já suficientemente grandes ou cresceram suficientemente depressa para atingir mil milhões de vezes a massa do Sol nos primórdios cósmicos.

No universo moderno, os buracos negros formam-se quando o núcleo de uma estrela massiva fica sem combustível e colapsa. Considerando que as primeiras estrelas eram bastante massivas, poderiam ter deixado sementes de buraco negro de até cerca de 100 massas solares, disse Greene.

«Sabemos que isso acontece, mas é extremamente difícil levá-las a mil milhões tão rapidamente», afirmou. «É preciso alimentá-las à força.»

Os cientistas acreditaram historicamente que existe um limite rígido para a velocidade a que os buracos negros podem crescer. À medida que o material cai em direção ao buraco negro, aquece ao girar como água a escoar por um ralo. A radiação que este «disco de acreção» produz empurra de volta contra mais material que entra, impedindo o buraco negro de consumir mais. Este limite de ingestão, chamado limite de Eddington, deveria tornar impossível para os buracos negros crescerem dezenas de milhões de vezes no tempo disponível.

Mas simulações computacionais recentes sugerem que os buracos negros podem ter uma espécie de porta de escape. Se o disco de acreção se expandir da forma certa, o gás que entra pode sobrepujar a pressão da radiação. Esta acreção «super-Eddington» levaria a que o gás fosse canalizado a taxas extraordinárias.

Mesmo assim, os astrónomos não sabem se teria existido gás suficiente à volta para produzir os maiores buracos negros. Alguns investigadores pensam que antigos aglomerados estelares densos podem ter criado muitas sementes de buraco negro que se fundiram rapidamente.

Ou talvez os buracos negros supermassivos nunca tenham começado como estrelas. Nesse caso, nuvens colossais de gás teriam mergulhado diretamente num buraco negro. Este mecanismo de «colapso direto» pode formar uma semente com cerca de 10 mil vezes a massa do Sol.

«O problema do cenário de colapso direto é que requer condições verdadeiramente especiais», disse Greene. Para que o colapso direto funcione, uma nuvem gigantesca precisa de se comprimir num buraco negro de uma só vez, sem primeiro se fragmentar em nuvens mais pequenas que formariam estrelas. Isto requer químicas de gás específicas e a nuvem deve rodar lentamente.

«Quando as pessoas tentam fazer isto num computador, conseguem criar buracos negros de colapso direto, mas não conseguem produzir suficientes para explicar todos os buracos negros que vemos», disse Greene.

Há evidências que suportam cada uma destas teorias. Em 2024, o JWST observou um buraco negro de cerca de 1,5 mil milhões de anos após o Big Bang a devorar material a cerca de 40 vezes o limite de Eddington. Se os buracos negros nos primórdios cósmicos também se empanturraram desta forma, talvez os maiores entre eles tenham começado como sementes relativamente pequenas.

Recentemente, no entanto, os investigadores analisaram demoradamente um pontinho vermelho de cerca de 750 milhões de anos após o Big Bang que é ampliado gravitacionalmente por um aglomerado de galáxias em primeiro plano. Concluíram que o objeto é um buraco negro supermassivo «nu», com cerca de 50 milhões de vezes a massa do Sol, sem estrelas discerníveis à sua volta. Se essa estimativa de massa estiver correta, a implicação é que o buraco negro pode ter-se formado como uma semente grande, possivelmente via colapso direto, antes de qualquer galáxia existir.

«Há claramente diferenças na forma como os buracos negros estão a crescer que ainda não compreendemos totalmente», disse Greene. «Portanto, para mim, a coisa mais entusiasmante a fazer agora é tentar perceber, fisicamente, o que é diferente.»

Construir uma Galáxia

Tal como os buracos negros primitivos que parecem demasiado grandes, muitas galáxias primitivas detetadas pelo JWST parecem demasiado brilhantes. Para perceber porquê, os investigadores estão a reavaliar as suas ideias sobre como as galáxias se formam.

Cerca de 200 milhões de anos após o Big Bang, o universo infantil era pequeno, denso e quente comparado com o de hoje. À medida que se expandiu e arrefeceu, a matéria escura coalesceu em grandes aglomerados que os cientistas chamam halos. A gravidade destes halos sem luz puxou o gás hidrogénio e hélio para vastos filamentos que se reuniram nos núcleos das orbes escuras envolventes. Assim que gás suficiente se acumulou, pressões extremas acenderam o fogo da fusão nuclear e inflamaram as primeiras estrelas, que se juntaram para formar as primeiras galáxias.

Os astrónomos descrevem geralmente o momento destes eventos em termos de redshift (desvio para o vermelho), ou quanto a luz de objetos antigos foi esticada pela expansão cósmica.

«Não acontece grande coisa até cerca de um redshift de 15 [270 milhões de anos após o Big Bang], e depois muito gás começa a entrar ao longo destes filamentos», disse Rachel Somerville, investigadora sénior que estuda a formação de galáxias no Instituto Flatiron em Nova Iorque. Apresentava novas simulações computacionais numa reunião em abril de 2026 em Helsingør, Dinamarca. Numa sala de conferências com vista para um estreito entre o Mar Báltico e o Mar do Norte, mais de 100 investigadores de todo o mundo reuniram-se para discutir os enigmas da infância do universo. Visualizações coloridas de matéria escura, gás e luz estelar dançavam num ecrã de projeção.

«Por volta de um redshift de 11 [420 milhões de anos], a taxa de formação estelar começa realmente a aumentar», continuou. «Com redshift nove [550 milhões de anos], formamos uma bela galáxia.»

A galáxia no ecrã representava uma população primitiva, mas a galáxia mais antiga descoberta pelo JWST até agora existiu apenas 280 milhões de anos após o Big Bang. A desconcertante descoberta de galáxias primitivas brilhantes levou inicialmente alguns cientistas a sugerir que o nosso entendimento da cosmologia fundamental — as leis que governam o comportamento da energia e da matéria no universo primitivo — poderia estar errado. Mas após alguns anos de estudo destes objetos primordiais, os teóricos têm agora vários modelos para explicar o seu brilho e abundância.

«Quase que passámos de ter demasiadas galáxias primitivas para ter demasiadas teorias para as explicar», disse Somerville à sala.

Talvez as primeiras galáxias tenham convertido gás em estrelas de forma mais eficiente do que se pensava. Ou terão experimentado explosões periódicas de formação estelar impulsionadas por condições turbulentas. Ou talvez as regiões de formação estelar primitivas tenham criado preferencialmente estrelas massivas e extremamente brilhantes. Muitos astrofísicos pensam que alguma combinação destes fatores, e talvez outros, contribuiu para o desenvolvimento das galáxias.

«Quase que passámos de ter demasiadas galáxias primitivas para ter demasiadas teorias para as explicar.»
— Rachel Somerville, Instituto Flatiron

Para testar estas novas ideias, os investigadores estão a explorar o universo infantil através de simulações. «Houve realmente um progresso notável desde o lançamento do Webb, especialmente no último ano, em simulações numéricas», disse Somerville aos participantes, acrescentando que estas novas simulações «são talvez mais apropriadas e mais informativas para interpretar observações no universo de alto redshift.»

À medida que estes modelos melhoram, o JWST está a documentar cada vez mais galáxias. Ao comparar o que vê no universo primitivo com simulações que tentam explicar porquê, os investigadores aproximam-se cada vez mais de descobrir a verdadeira natureza da alvorada cósmica.

«Podemos tentar encontrar o melhor análogo da galáxia observada com a simulada», disse Hakim Atek, astrofísico do Instituto de Astrofísica de Paris na Universidade Sorbonne. «Assim que temos esta melhor correspondência, podemos olhar para a história da formação estelar, porque nas simulações temos acesso a toda a história da galáxia.»

Uma pista intrigante surgiu recentemente do Instrumento de Infravermelhos Médios (MIRI) do JWST, um dispositivo superarrefecido que consegue separar a luz de objetos distantes. O MIRI revelou que as galáxias primitivas não têm todas as mesmas características, como os cientistas assumiam.

«A principal surpresa é a diversidade das propriedades das galáxias que estamos a ver nas épocas primitivas», disse Atek. «Esperávamos que tivessem todas o mesmo aspeto.»

Esta diversidade pode ser uma indicação de formação estelar ocorrida em explosões, à medida que as galáxias ciclavam por períodos de fusão de estrelas que explodiam e expeliam nuvens de gás, interrompendo a criação de estrelas, apenas para o gás se reunir novamente e desencadear uma nova vaga de nascimento estelar.

«Algumas delas parecem ter limpado todo o meio interestelar presente, o gás e a poeira. É como se estivéssemos a olhar apenas para estrelas nuas», disse Atek. «Outra galáxia é o oposto. Tem muito gás.»

Outra pista vem de um grupo de galáxias com uma sobreabundância de azoto. A presença deste elemento sugere que pode ter havido muitas estrelas particularmente massivas no universo primitivo. Nas simulações, estas estrelas massivas geram um excesso de azoto antes de explodirem em supernovas e espalharem o elemento pelas suas galáxias hospedeiras.

Um dia, os investigadores poderão descobrir o quadro completo da formação galáctica. Até lá, continuarão a examinar os vestígios em novas observações e simulações.

O Puzzle da Existência

Quando as luzes astrais se acenderam, o universo transformou-se. A radiação das galáxias primitivas e dos buracos negros ionizou um mar de gás hidrogénio neutro, esculpindo bolhas imensas no meio da névoa cósmica. Os investigadores chamam a este período a reionização, pois foi a segunda vez que o universo foi ionizado. Marca o fim da idade das trevas cósmica, quando o abismo nebuloso estava desprovido de estrelas.

As primeiras estrelas, que se pensa terem sido centenas ou milhares de vezes mais massivas que o Sol, consumiram furiosamente o seu combustível de hidrogénio e hélio e irromperam em poderosas supernovas, semeando o universo com novos elementos como carbono, azoto, oxigénio, fósforo e ferro — a matéria-prima dos planetas e da vida.

De muitas formas, essas primeiras estrelas são as mães do universo. «Estamos a olhar para o que nos criou», disse Lise Christensen, astrofísica do Centro da Alvorada Cósmica.

Talvez seja apropriado que a recente conferência para discutir as origens cósmicas tenha ocorrido em Helsingør, perto do castelo que inspirou Elsinor em Hamlet. Na peça, o príncipe dinamarquês de Shakespeare lamenta:

esta abóbada sublime,
este majestoso teto, adornado
com fogo dourado — para mim, não é mais
que uma congregação pestilenta de vapores.
Que obra de arte é o homem, quão nobre na
razão, quão infinito nas faculdades…
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
e, no entanto, para mim, o que é esta quintessência do pó?

Embora seja uma meditação melancólica sobre a existência — o universo como «uma congregação pestilenta de vapores», a humanidade como a «quintessência do pó» —, sabemos hoje que a descrição de Hamlet é mais cientificamente precisa do que Shakespeare poderia imaginar. Somos, de facto, feitos de elementos forjados nas estrelas e ejectados no vazio como gás e poeira.

Ao contrário de Hamlet a definhar em Elsinor, no entanto, os cientistas que estudam as origens do universo sentem-se entusiasmados com estes primórdios cósmicos.

Nota do editor: O Instituto Flatiron é financiado pela Fundação Simons, que também financia esta revista editorialmente independente. As decisões de financiamento da Fundação Simons não têm influência sobre a nossa cobertura jornalística.

Nota: Este texto foi obtido, traduzido e formatado de forma automática por um agente de IA