Buraco negro massivo adormecido no início do universo desafia os modelos existentes

Cientistas avistaram um buraco negro massivo no universo primitivo que está "cochilando" depois de se empanturrar de comida demais. Como um urso se empanturrando de salmão antes de hibernar para o inverno, ou um cochilo muito necessário depois do jantar de Natal, esse buraco negro comeu demais a ponto de estar adormecido em sua galáxia hospedeira. 

Crédito: Jiarong Gu 

Uma equipe internacional de astrônomos, liderada pela Universidade de Cambridge, usou o Telescópio Espacial James Webb da NASA/ESA/CSA para detectar este buraco negro no início do universo, apenas 800 milhões de anos após o Big Bang.

O buraco negro é enorme — 400 milhões de vezes a massa do nosso sol — tornando-o um dos buracos negros mais massivos descobertos por Webb neste ponto do desenvolvimento do universo. O buraco negro é tão enorme que compõe aproximadamente 40% da massa total de sua galáxia hospedeira: em comparação, a maioria dos buracos negros no universo local tem aproximadamente 0,1% da massa de sua galáxia hospedeira.

No entanto, apesar de seu tamanho gigantesco, esse buraco negro está comendo, ou acumulando, o gás de que precisa para crescer a uma taxa muito baixa — cerca de 100 vezes abaixo de seu limite máximo teórico — tornando-o essencialmente adormecido.

Um buraco negro tão supermassivo tão cedo no universo, mas que não está crescendo, desafia os modelos existentes de como os buracos negros se desenvolvem. No entanto, os pesquisadores dizem que o cenário mais provável é que os buracos negros passem por curtos períodos de crescimento ultrarrápido, seguidos por longos períodos de dormência. Seus resultados são relatados na revista Nature .

Quando buracos negros estão "cochilando", eles são muito menos luminosos, tornando-os mais difíceis de detectar, mesmo com telescópios altamente sensíveis como o Webb. Buracos negros não podem ser observados diretamente, mas em vez disso são detectados pelo brilho revelador de um disco de acreção giratório, que se forma perto das bordas do buraco negro. O gás no disco de acreção fica extremamente quente e começa a brilhar e irradiar energia na faixa ultravioleta.

"Embora esse buraco negro esteja dormente, seu enorme tamanho tornou possível que o detectássemos", disse o autor principal Ignas Juodžbalis do Instituto Kavli de Cosmologia de Cambridge. "Seu estado dormente nos permitiu aprender sobre a massa da galáxia hospedeira também. O universo primitivo conseguiu produzir alguns monstros absolutos, mesmo em galáxias relativamente pequenas." 

De acordo com modelos padrão, buracos negros se formam a partir de restos colapsados ​​de estrelas mortas e agregam matéria até um limite previsto, conhecido como limite de Eddington, onde a pressão da radiação sobre a matéria supera a atração gravitacional do buraco negro. No entanto, o tamanho desse buraco negro sugere que os modelos padrão podem não explicar adequadamente como esses monstros se formam e crescem.

"É possível que buracos negros 'nasçam grandes', o que poderia explicar por que Webb avistou buracos negros enormes no universo primitivo", disse o coautor Professor Roberto Maiolino, do Instituto Kavli e do Laboratório Cavendish de Cambridge. "Mas outra possibilidade é que eles passem por períodos de hiperatividade, seguidos por longos períodos de dormência."

Trabalhando com colegas da Itália, os pesquisadores de Cambridge conduziram uma série de simulações de computador para modelar como esse buraco negro adormecido poderia ter crescido até um tamanho tão grande tão cedo no universo.

Eles descobriram que o cenário mais provável é que buracos negros podem exceder o limite de Eddington por curtos períodos, durante os quais eles crescem muito rapidamente, seguidos por longos períodos de inatividade: os pesquisadores dizem que buracos negros como esse provavelmente comem por 5 a 10 milhões de anos e dormem por cerca de 100 milhões de anos.

"Parece contraintuitivo explicar um buraco negro adormecido com períodos de hiperatividade, mas essas explosões curtas permitem que ele cresça rapidamente enquanto passa a maior parte do tempo cochilando", disse Maiolino.

Como os períodos de dormência são muito mais longos do que os períodos de crescimento ultrarrápido, é nesses períodos que os astrônomos têm mais probabilidade de detectar buracos negros. "Este foi o primeiro resultado que tive como parte do meu Ph.D., e levei um tempo para apreciar o quão notável ele era", disse Juodžbalis. "Foi só quando comecei a falar com meus colegas sobre o lado teórico da astronomia que consegui ver o verdadeiro significado deste buraco negro."

Devido à sua baixa luminosidade, buracos negros dormentes são mais difíceis de serem detectados pelos astrônomos, mas os pesquisadores dizem que esse buraco negro é quase certamente a ponta de um iceberg muito maior, se os buracos negros no universo primitivo passarem a maior parte do tempo em um estado dormente.

"É provável que a grande maioria dos buracos negros por aí esteja nesse estado dormente. Estou surpreso por termos encontrado este, mas estou animado em pensar que há muitos outros que poderíamos encontrar", disse Maiolino.

Fonte: phys.org