Simulações de computador mostram como buracos negros de massa intermediária poderiam se formar dentro de aglomerados estelares

Um consórcio internacional de astrónomos, incluindo funcionários do Instituto Max Planck de Astronomia, desvendou com sucesso os intrincados mecanismos de formação dos esquivos buracos negros de massa intermédia. Poderiam representar a ligação entre os seus parentes mais pequenos, os buracos negros estelares, e os gigantes supermassivos que povoam os centros das galáxias.

A imagem mostra um aglomerado estelar simulado conforme calculado nas simulações do Dragon-II. Os pontos laranja e amarelos representam estrelas semelhantes ao Sol, enquanto os pontos azuis indicam estrelas com massas de 20 a 300 vezes a do Sol. O grande objeto branco no centro representa uma estrela com uma massa de cerca de 350 massas solares, que em breve entrará em colapso para formar um buraco negro de massa intermediária. Crédito: M. Arca Sedda (GSSI) 

Esta conquista deriva do projeto de simulação DRAGON-II liderado pelo Gran Sasso Science Institute. Os cientistas envolvidos neste estudo calcularam as interações complexas de estrelas, buracos negros estelares e processos físicos dentro de aglomerados estelares densos, demonstrando que buracos negros com até algumas centenas de massas solares podem surgir nesses ambientes.

A busca para localizar e compreender as origens dos buracos negros de massa intermediária (IMBHs) permanece um enigma contínuo. Se existirem, podem servir como elo de ligação entre dois extremos dos buracos negros. Na extremidade de baixa massa, observamos buracos negros estelares, restos de explosões de supernovas de estrelas massivas no final da sua vida.

Por outro lado, encontramos buracos negros nos centros das galáxias, milhões ou até bilhões de vezes mais massivos que o Sol. A formação e o crescimento destes objetos ainda representam um mistério fascinante para a astronomia moderna, principalmente devido à falta de uma prova definitiva que apoie a existência de tais buracos negros. Os astrônomos esperam encontrá-los em aglomerados estelares densos e lotados.

“Os buracos negros de massa intermédia são difíceis de observar”, explica Manuel Arca Sedda do Gran Sasso Science Institute (GSSI) em L'Aquila, Itália, e principal autor do artigo de investigação subjacente publicado no Monthly Notices of the Royal Astronomical Sociedade . “Os atuais limites observacionais não nos permitem dizer nada sobre a população de buracos negros de massa intermediária com massas entre 1.000 e 10.000 massas solares, e também representam uma dor de cabeça para os cientistas em relação aos possíveis mecanismos que levam à sua formação.”

Para superar esta desvantagem, uma equipe internacional liderada por Arca Sedda e incluindo Albrecht Kamlah do Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, Alemanha (MPIA) empreendeu uma série inovadora de simulações numéricas de alta resolução de aglomerados estelares, conhecida como DRAGON- Banco de dados de cluster II . Neste esforço, os astrónomos descobriram um caminho potencial para a formação de buracos negros de massa intermédia em aglomerados estelares jovens, densamente povoados e massivos.

Estas simulações inovadoras tiveram que calcular uma sequência de interações complexas entre estrelas simples e binárias normais, levando a colisões e formando estrelas cada vez mais massivas que eventualmente evoluíram para IMBHs. Nessa fase, esses buracos negros podem continuar a incorporar estrelas massivas e buracos negros adicionais, levando a um crescimento para várias centenas de massas solares. Acontece que nenhum caminho único leva a um buraco negro de massa intermediária. Em vez disso, os astrónomos encontram uma gama complexa de interações e eventos de fusão.

Até um milhão de estrelas povoaram os aglomerados estelares simulados, que exibem uma fração binária de estrelas variando de 10% a 30%. “Os aglomerados simulados refletem de perto os homólogos do mundo real observados na Via Láctea, nas Nuvens de Magalhães e em várias galáxias do nosso universo local”, salienta Kamlah.

Ao rastrear o destino subsequente de um buraco negro de massa intermédia nestas simulações, os astrónomos identificaram um período turbulento marcado por interações vigorosas com outras estrelas e buracos negros estelares, o que pode levar à sua rápida expulsão do seu aglomerado parental, normalmente dentro de alguns segundos. cem milhões de anos.

Esta ejeção limita efetivamente o crescimento adicional do buraco traseiro. Os modelos computacionais revelam que, embora as sementes IMBH se originem naturalmente de interações estelares energéticas dentro de aglomerados estelares, a sua tendência para atingir massas maiores, excedendo algumas centenas de massas solares, depende da densidade ou massividade excepcional do ambiente.

No entanto, um enigma científico fundamental permanece por resolver: se os buracos negros de massa intermédia servem como o elo perdido entre os seus homólogos estelares mais pequenos e os colossais buracos negros supermassivos. Esta questão permanece sem resposta por enquanto, mas o estudo abre espaço para conjecturas informadas.

“Precisamos de dois ingredientes para um melhor esclarecimento”, explica Arca Sedda, “um ou mais processos capazes de formar buracos negros de massa intermediária e a possibilidade de mantê-los no ambiente hospedeiro”. O estudo impõe restrições rigorosas ao primeiro ingrediente, apresentando uma visão clara de quais processos podem contribuir para a formação de IMBHs.

Considerar aglomerados mais massivos que contenham mais estrelas binárias pode ajudar a obter o segundo ingrediente no futuro, o que ainda apresenta requisitos desafiadores para simulações subsequentes.

Curiosamente, os aglomerados de estrelas formados no universo primitivo podem ter as qualidades adequadas para sustentar o crescimento do IMBH. Observações futuras de tais aglomerados estelares antigos, por exemplo, com a ajuda do Telescópio Espacial James Webb (JWST) e o desenvolvimento de novos modelos teóricos, podem ajudar a desvendar a relação entre buracos negros de massa intermediária e supermassivos .

Fonte: phys.org