Simulações sugerem que o universo primitivo ajudou os buracos negros a crescerem bastante, mas não a longo prazo.

No coração da Via Láctea, a apenas 27.000 anos-luz da Terra, existe um buraco negro supermassivo com uma massa superior a 4 milhões de sóis. Quase todas as galáxias contêm um buraco negro supermassivo, e muitos deles são muito mais massivos. O buraco negro na galáxia elíptica M87 tem uma massa de 6,5 bilhões de sóis. Os maiores buracos negros têm mais de 40 bilhões de massas solares. Sabemos que esses monstros espreitam no cosmos, mas como se formaram?

Ilustração de um buraco negro crescendo a uma taxa extremamente rápida (super-Eddington). Crédito: NOIRLab/AURA/NSF/P. Marenfeld 

Uma das teorias é que buracos negros supermassivos se formam ao longo do tempo por meio de fusões. Devido à matéria escura e à energia escura , as galáxias se formam em aglomerados separados por vazios. Com o tempo, os vazios aumentam de tamanho enquanto as galáxias se agrupam e eventualmente se fundem. Os buracos negros dentro dessas galáxias também se fundem para formar os objetos supermassivos que vemos hoje.

É claro que isso leva tempo. Se esse modelo estiver correto, as galáxias mais distantes deveriam ter buracos negros menores, com milhões de massas solares, e só deveríamos observar os gigantes com bilhões de massas solares no universo próximo. Mas observações do Telescópio Espacial James Webb revelaram que os buracos negros supermassivos em muitas das galáxias mais distantes são enormes. Buracos negros com massa superior a um bilhão de sóis já existiam quando o universo tinha apenas meio bilhão de anos. Esses jovens gigantes são massivos demais para serem explicados por fusões e desafiam as explicações convencionais.

Você pode estar se perguntando por quê. Afinal, o universo primitivo era incrivelmente denso. Com tanta matéria disponível para os buracos negros se alimentarem, por que eles não conseguiam crescer rapidamente? A razão é algo conhecido como Limite de Eddington. À medida que a matéria é atraída para um buraco negro, ela se transforma em um plasma superaquecido e de alta pressão.

 Isso empurra a matéria mais distante para longe do buraco negro, diminuindo a taxa de crescimento. O Limite de Eddington é a taxa máxima de crescimento que um buraco negro pode atingir. Essa taxa não é rápida o suficiente para explicar todos os buracos negros gigantes que observamos no cosmos primitivo.

Mas o período inicial do universo é muito diferente do universo atual. E se o Limite de Eddington não se aplicasse naquela época? Essa é a questão examinada em um artigo recente publicado no servidor de pré-impressão arXiv . Os autores criaram modelos hidrodinâmicos sofisticados para analisar a formação de buracos negros durante a era escura cósmica.

O período posterior ao resfriamento dos elétrons e núcleos para formar átomos, mas anterior à reionização, quando as primeiras estrelas se formaram e reacenderam o cosmos com luz. Sabemos que foi nesse período que as galáxias começaram a se formar, então é razoável presumir que buracos negros supermassivos também se formaram durante esse tempo. 

Com base em suas simulações, os autores descobriram a existência de um período super-Eddington. Há regiões tão densas que o material superaquecido próximo a um buraco negro não consegue escapar. Isso permitiu que os buracos negros primitivos crescessem a uma taxa mais rápida do que a possível atualmente, mas apenas até cerca de 10.000 massas solares .

De acordo com as simulações, após isso, o ciclo de feedback de Eddington entra em ação e a taxa de crescimento é limitada novamente. A equipe também descobriu que esse crescimento super-Eddington não ajuda muito a longo prazo. Eventualmente, até mesmo buracos negros que sempre crescem a uma taxa abaixo de Eddington atingirão a mesma massa. O velocista olímpico Usain Bolt pode ser o ser humano mais rápido do mundo, mas o maratonista Eliud Kipchoge o ultrapassará em uma corrida de longa distância.

Este estudo sugere fortemente que o crescimento super-Eddington não consegue explicar todos os buracos negros com bilhões de massas solares que observamos no universo primordial. Como as fusões galácticas também não os explicam, este trabalho aponta para outra solução: buracos negros de massa inicial que se formaram muito cedo, talvez até mesmo durante o período inflacionário logo após o Big Bang.

Phys.org