A matéria escura pode ter ajudado a criar buracos negros supermassivos no início do universo

A radiação da matéria escura pode ter mantido o gás hidrogênio quente o suficiente para condensar em buracos negros 

Uma visão do buraco negro supermassivo Sagitário A* da Via Láctea em luz polarizada. Observatório Europeu do Sul/Wikimedia Commons

Principais conclusões

·       Buracos negros supermassivos normalmente levam bilhões de anos para se formar. Mas o Telescópio Espacial James Webb os está encontrando não muito tempo depois do Big Bang — antes que eles tivessem tempo para se formar.

·         Astrofísicos da UCLA descobriram que, se a matéria escura decai, os fótons que ela emite mantêm o gás hidrogênio quente o suficiente para que a gravidade o reúna em nuvens gigantes e, eventualmente, o condense em um buraco negro supermassivo.

·         Além de explicar a existência de buracos negros supermassivos muito antigos, a descoberta dá suporte à existência de um tipo de matéria escura capaz de decair em partículas como fótons.   

Leva muito tempo para que buracos negros supermassivos, como o que está no centro da nossa galáxia Via Láctea, se formem. Normalmente, o nascimento de um buraco negro requer que uma estrela gigante com a massa de pelo menos 50 dos nossos sóis queime — um processo que pode levar um bilhão de anos — e que seu núcleo colapse sobre si mesmo.

Mesmo assim, com apenas cerca de 10 massas solares, o buraco negro resultante está muito longe do buraco negro de 4 milhões de massas solares, Sagittarius A*, encontrado em nossa galáxia Via Láctea, ou dos buracos negros supermassivos de bilhões de massas solares encontrados em outras galáxias. Esses buracos negros gigantescos podem se formar a partir de buracos negros menores por acreção de gás e estrelas, e por fusões com outros buracos negros, o que leva bilhões de anos.

Por que, então, o Telescópio Espacial James Webb está descobrindo buracos negros supermassivos perto do início do tempo, eras antes de eles terem sido capazes de se formar? Astrofísicos da UCLA têm uma resposta tão misteriosa quanto os próprios buracos negros: a matéria escura impediu que o hidrogênio esfriasse por tempo suficiente para que a gravidade o condensasse em nuvens grandes e densas o suficiente para se transformarem em buracos negros em vez de estrelas. A descoberta foi publicada no periódico Physical Review Letters.

“Quão surpreendente foi encontrar um buraco negro supermassivo com um bilhão de massas solares quando o universo em si tem apenas meio bilhão de anos”, disse o autor sênior Alexander Kusenko, professor de física e astronomia na UCLA. “É como encontrar um carro moderno entre ossos de dinossauro e se perguntar quem construiu aquele carro nos tempos pré-históricos.”

Alguns astrofísicos postularam que uma grande nuvem de gás poderia colapsar para formar um buraco negro supermassivo diretamente, ignorando a longa história de queima estelar, acreção e fusões. Mas há um porém: a gravidade, de fato, puxará uma grande nuvem de gás para junto, mas não em uma grande nuvem. Em vez disso, ela reúne seções do gás em pequenos halos que flutuam perto uns dos outros, mas não formam um buraco negro.

A razão é porque a nuvem de gás esfria muito rápido. Enquanto o gás estiver quente, sua pressão pode contrariar a gravidade. No entanto, se o gás esfria, a pressão diminui e a gravidade pode prevalecer em muitas regiões pequenas, que colapsam em objetos densos antes que a gravidade tenha a chance de puxar a nuvem inteira para um único buraco negro.

Uma imagem do Telescópio James Webb mostra o quasar J0148 circulado em vermelho. Duas inserções mostram, em cima, o buraco negro central, e em baixo, a emissão estelar da galáxia hospedeira. MIT/NASA

“A rapidez com que o gás esfria tem muito a ver com a quantidade de hidrogênio molecular”, disse o primeiro autor e aluno de doutorado Yifan Lu. “Átomos de hidrogênio ligados em uma molécula dissipam energia quando encontram um átomo de hidrogênio solto. As moléculas de hidrogênio se tornam agentes de resfriamento à medida que absorvem energia térmica e a irradiam para longe. Nuvens de hidrogênio no universo primitivo tinham muito hidrogênio molecular, e o gás esfriava rapidamente e formava pequenos halos em vez de grandes nuvens.”

Lu e o pesquisador de pós-doutorado Zachary Picker escreveram um código para calcular todos os processos possíveis desse cenário e descobriram que radiação adicional pode aquecer o gás e dissociar as moléculas de hidrogênio, alterando a forma como o gás esfria.

“Se você adicionar radiação em uma certa faixa de energia, ela destrói o hidrogênio molecular e cria condições que impedem a fragmentação de grandes nuvens”, disse Lu.

Mas de onde vem a radiação?

Apenas uma porção muito pequena da matéria no universo é o tipo que compõe nossos corpos, nosso planeta, as estrelas e tudo o mais que podemos observar. A vasta maioria da matéria, detectada por seus efeitos gravitacionais em objetos estelares e pela curvatura de raios de luz de fontes distantes, é feita de algumas partículas novas, que os cientistas ainda não identificaram.

As formas e propriedades da matéria escura são, portanto, um mistério que permanece a ser resolvido. Embora não saibamos o que é matéria escura, os teóricos de partículas há muito especulam que ela pode conter partículas instáveis ​​que podem decair em fótons, as partículas de luz. Incluir essa matéria escura nas simulações forneceu a radiação necessária para que o gás permanecesse em uma grande nuvem enquanto ele colapsa em um buraco negro.

A matéria escura pode ser feita de partículas que decaem lentamente, ou pode ser feita de mais de uma espécie de partícula: algumas estáveis ​​e algumas que decaem em tempos iniciais. Em ambos os casos, o produto da decadência pode ser radiação na forma de fótons, que quebram o hidrogênio molecular e impedem que as nuvens de hidrogênio esfriem muito rápido. Mesmo a decadência muito suave da matéria escura produziu radiação suficiente para impedir o resfriamento, formando grandes nuvens e, eventualmente, buracos negros supermassivos.

“Esta poderia ser a solução para o motivo pelo qual buracos negros supermassivos são encontrados muito cedo”, disse Picker. “Se você for otimista, também pode ler isso como evidência positiva para um tipo de matéria escura. Se esses buracos negros supermassivos se formaram pelo colapso de uma nuvem de gás, talvez a radiação adicional necessária tivesse que vir da física desconhecida do setor escuro.”

Fonte: newsroom.ucla.edu