Pesquisa revela que havia mais buracos negros no universo primitivo do que pensávamos

Buracos negros supermassivos são alguns dos objetos mais impressionantes (e assustadores) do universo — com massas cerca de 1 bilhão de vezes maiores que a do sol. E sabemos que eles existem há muito tempo.

Crédito: Pixabay/CC0 Domínio Público

De fato, os astrônomos detectaram fontes compactas extremamente luminosas localizadas nos centros das galáxias, conhecidas como quasares ( buracos negros supermassivos de rápido crescimento ), quando o universo tinha menos de 1 bilhão de anos. Agora, nosso novo estudo, publicado no The Astrophysical Journal Letters , usou observações do Telescópio Espacial Hubble para mostrar que havia muito mais buracos negros (muito menos luminosos) no universo primitivo do que estimativas anteriores haviam sugerido. De forma empolgante, isso pode nos ajudar a entender como eles se formaram — e por que muitos deles parecem ser mais massivos do que o esperado.

Buracos negros crescem engolindo material que os cerca, em um processo conhecido como acreção. Isso produz quantidades tremendas de radiação. A pressão dessa radiação coloca um limite fundamental na rapidez com que buracos negros podem crescer.

Os cientistas, portanto, enfrentaram um desafio para explicar esses primeiros e enormes quasares: sem muito tempo cósmico para se alimentar, eles devem ter crescido mais rápido do que era fisicamente possível ou ter nascido surpreendentemente grandes.

Sementes leves vs. pesadas

Mas como os buracos negros se formam? Existem várias possibilidades. A primeira é que os chamados buracos negros primordiais existem desde logo após o big bang. Embora plausível para buracos negros com massas baixas, buracos negros massivos não podem ter se formado em números significativos de acordo com o modelo padrão da cosmologia.

Buracos negros definitivamente podem se formar (agora verificado pela astronomia de ondas gravitacionais) nos estágios finais das vidas curtas de algumas estrelas massivas normais . Tais buracos negros poderiam, em princípio, crescer rapidamente se formados em aglomerados estelares extremamente densos onde estrelas e buracos negros podem se fundir. São essas "sementes de massa estelar" de buracos negros que precisariam crescer muito rápido.

A alternativa é que elas poderiam se formar a partir de " sementes pesadas ", com massas cerca de 1.000 vezes maiores do que estrelas massivas conhecidas. Um desses mecanismos é um "colapso direto", no qual estruturas iniciais da substância desconhecida e invisível conhecida como matéria escura confinam nuvens de gás, enquanto a radiação de fundo as impede de formar estrelas. Em vez disso, elas colapsam em buracos negros.

O problema é que apenas uma minoria de halos de matéria escura cresce o suficiente para formar tais sementes. Então isso só funciona como uma explicação se os buracos negros iniciais forem raros o suficiente.

Muitos buracos negros

Por anos, tivemos uma boa imagem de quantas galáxias existiram no primeiro bilhão de anos do tempo cósmico. Mas encontrar buracos negros nesses ambientes foi extremamente desafiador (apenas quasares luminosos puderam ser provados).

Embora os buracos negros cresçam engolindo material ao redor, isso não acontece em uma taxa constante — eles quebram sua alimentação em "refeições", o que faz seu brilho variar ao longo do tempo. Monitoramos algumas das primeiras galáxias para mudanças no brilho ao longo de um período de 15 anos e usamos isso para fazer um novo censo de quantos buracos negros existem por aí.

Acontece que há muito mais buracos negros residindo em galáxias primitivas comuns do que pensávamos originalmente.

Outros trabalhos recentes e pioneiros com o Telescópio Espacial James Webb (JSTW) começaram a chegar a conclusões semelhantes . No total, temos mais buracos negros do que podem se formar por colapso direto.

Há outra maneira, mais exótica, de formar buracos negros que poderia produzir sementes que são massivas e abundantes. Estrelas se formam pela contração gravitacional de nuvens de gás: se números significativos de partículas de matéria escura puderem ser capturados durante a fase de contração, então a estrutura interna poderia ser inteiramente modificada — e a ignição nuclear prevenida.

O crescimento poderia, portanto, continuar por muito mais tempo do que a vida útil típica de uma estrela comum, permitindo que elas se tornassem muito mais massivas. No entanto, como estrelas comuns e objetos de colapso direto, nada é capaz de suportar a força avassaladora da gravidade. Isso significa que essas "estrelas escuras" também devem eventualmente colapsar para formar buracos negros massivos.

Agora acreditamos que processos semelhantes a esse devem ter ocorrido para formar o grande número de buracos negros que observamos no universo infantil.

Planos futuros

Estudos sobre a formação inicial de buracos negros passaram por uma transformação nos últimos dois anos, mas, de certa forma, esse campo está apenas começando.

Novos observatórios no espaço, como a missão Euclid ou o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman , preencherão nosso censo de quasares mais fracos em tempos iniciais. A missão NewAthena e o Square Kilometer Array , na Austrália e na África do Sul, desbloquearão nossa compreensão de muitos dos processos que cercam buracos negros em tempos iniciais.

Mas é realmente o JWST que devemos observar no prazo imediato. Com sua sensibilidade para geração de imagens e monitoramento e capacidades espectroscópicas para ver atividade de buraco negro muito tênue, esperamos que os próximos cinco anos realmente definam os números de buracos negros conforme as primeiras galáxias se formavam.

Podemos até mesmo capturar a formação de buracos negros em ação, ao testemunhar as explosões associadas ao colapso das primeiras estrelas imaculadas. Os modelos dizem que isso é possível, mas exigirá um esforço coordenado e dedicado dos astrônomos.

Fonte: phys.org