Buracos Negros supermassivos fornecem Janela para o Universo Primitivo

Como os buracos negros supermassivos se formaram? Dois estudos descobriram dezenas de buracos negros de massa mediana em galáxias anãs para alimentar um debate em andamento.

O conceito deste artista mostra um buraco negro com gás quente em espiral através de um disco de acreção. Linhas de campo magnético lançam uma quantidade mínima deste material em um jato ultra-rápido que dispara para o espaço. Raios-X podem emanar do disco ou do jato. NASA / JPL-Caltech

Buracos negros pesados ​​são uma característica surpreendentemente comum do universo, espreitando ou resplandecendo em galáxias próximas e distantes. Mas uma questão há muito incomodava os astrônomos: de onde vieram esses chamados buracos negros supermassivos - em geral variando de milhões a bilhões de Suns? Dois estudos usando observações de raios X fornecem duas respostas diferentes.

Passado presente

Quando o universo tinha menos de um bilhão de anos, as galáxias já abrigavam buracos negros supermassivos, visíveis pelo gás incandescente que eles devoravam a taxas de dezenas de sóis por ano. Mesmo quando estamos nos empanturrando, a maneira típica que conhecemos de fazer um buraco negro - o colapso de uma estrela moribunda - não seria suficiente para criar tais feras.

Existem duas soluções atualmente na vanguarda da solução deste dilema: Uma ideia é que a primeira geração de estrelas que deu origem a buracos negros era muito mais massiva do que a versão moderna, tipicamente contendo 100 Suns em massa. Esses buracos negros com massa de 100 solar teriam então de se alimentar a taxas tremendas praticamente o tempo todo para crescer até o tamanho supermassivo quando o universo chegar a 1 bilhão de anos.

Uma ideia alternativa é que os primeiros buracos negros se formaram quando uma nuvem de gás colapsou diretamente em algo entre mil vezes a massa do Sol. Esse cenário precisa de uma situação bem especial para cultivar esses buracos negros maciços, manter todo o gás junta enquanto colapsa sem que ele se fragmente em estrelas. (Veja o artigo de Camille Carlisle, "The First Black Holes", na edição de janeiro de 2017 da Sky & Telescope para mais detalhes sobre esses cenários.)

A tecnologia atual não nos permitirá realmente testar qualquer cenário, então os astrônomos fazem uma rota indireta para procurar a resposta. Se os buracos negros supermassivos que habitam grandes galáxias começam suas vidas como buracos negros de massa estelar, buracos negros menores, de "massa intermediária", devem ser comuns em galáxias menores. O cenário de colapso direto, em vez disso, prevê que esses buracos negros medianos seriam raros. Então, todos os astrônomos têm que fazer é calcular os buracos negros em galáxias anãs e eles têm a sua resposta - mas isso não é tão fácil quanto parece.

Registrando a divisão dos médios

Mar Mezcua (Instituto de Ciência Espacial, Espanha) e seus colegas estudaram as imagens de raios-X coletadas como parte da Pesquisa do Legado Chandra COSMOS , que também inclui dados de luz visível e infravermelho. Eles encontram 40 galáxias anãs hospedando alimentações ativas, buracos negros dos médios com massas entre 10.000 e 100.000 sóis. A equipe usa a fração de buracos negros "ativos" - cerca de 10% - como uma proxy para o número total de buracos negros em galáxias anãs. A fração baixa, afirmam em 1º de agosto os Avisos Mensais da Royal Astronomical Society , favorece o modelo de colapso direto.

Esta imagem composta combina dados infravermelhos e raios X no campo COSMOS Legacy Survey. Aproximadamente 10% das galáxias anãs neste campo - 40 no total - estão hospedando um buraco negro dos médios. A baixa fração de buracos negros ativos favorece o cenário de colapso direto, argumentam Mezcua e seus colegas. Raio-X: NASA / CXC / ICE / M.Mezcua et al .; Infravermelho: NASA / JPL-Caltech; Ilustração: NASA / CXC / A.Hobart

Outro ponto a favor do cenário de colapso direto é que ele prevê que galáxias menores deveriam ter menos probabilidade de abrigar buracos negros, e é exatamente isso que Mezcua e seus colegas encontram. Mas a fração de buracos negros ativos que a equipe calcula é, na realidade, um limite inferior do número real de buracos negros. Pode ser que um grande número de buracos negros em jejum, silenciosos em raios X, se escondam em outras galáxias anãs.

Além do debate estão novos dados de Igor Chilingarian (Observatório Astrofísico Smithsonian) e colegas, que pesquisaram os dados do céu para encontrar uma amostra de 305 candidatos de buraco negro de massa mediana, publicada em 6 de agosto no Astrophysical Journal . Eles confirmam 10 desses candidatos com novas e arquivadas observações de raios X de Chandra, XMM-Newton e Swift, estimadas em ter massas entre 30.000 e 200.000 sóis.

Chilingarian argumenta que a mera existência de buracos negros de massa intermediária na extremidade inferior desse espectro de massa favorece o cenário de sementes estelares, já que o cenário de colapso direto deveria produzir apenas buracos negros com massa de mais de 100.000 sóis. Mas Mezcua discorda, argumentando que os modelos de colapso direto são flexíveis o suficiente para permitir massas menores.

Por enquanto, o concurso termina em um empate, e isso provavelmente continuará sendo o caso até que os astrônomos possam descobrir uma maneira de encontrar buracos negros adormecidos em galáxias anãs.

“Os métodos usados ​​para medir massas de buracos negros ou inferir a presença de um buraco negro em galáxias massivas com buracos negros inativos não podem ser aplicados a galáxias anãs, porque estas são pequenas e fracas em comparação com galáxias elípticas maciças”, diz Mezcua. “Então, se detectar buracos negros ativos em galáxias anãs é difícil, detectar os dormentes é ainda mais desafiador.”

Amy Reines, cujo estudo de 2013 também favoreceu o modelo de colapso direto com as mesmas advertências que o estudo da equipe de Mezcua, concorda. "Eu não acho que haja provas conclusivas de uma forma ou de outra", diz Amy Reines (Montana State University). "Mais trabalho precisa ser feito."
Fonte: https://www.skyandtelescope.com