Um dos mistérios mais antigos da astronomia é compreender como os buracos negros podem se tornar tão grandes em tão pouco tempo cósmico. Os cientistas sabem há muito tempo que existiam buracos negros supermassivos no início do Universo, mas ainda não está claro como atingiram tamanhos tão enormes. Agora, pesquisadores da Universidade Maynooth (MU) da Irlanda relatam uma explicação inovadora em um novo estudo publicado em 2017. astronomia natural.
A equipe diz que a resposta está nas condições extremas e caóticas do universo primitivo.
Daxal Mehta, estudante de doutoramento no Departamento de Física da Universidade de Maynooth e principal autor do estudo, disse: “Descobrimos que as condições caóticas que existiam no Universo primitivo desencadearam buracos negros mais pequenos e precoces que se transformaram nos buracos negros supermassivos que vemos mais tarde, após um frenesim alimentar de consumo de matéria circundante.”
Crescimento rápido após o big bang
Os pesquisadores usaram simulações computacionais avançadas para reconstruir como os primeiros buracos negros se comportaram logo após sua formação.
“Usando simulações computacionais de última geração, descobrimos que a primeira geração de buracos negros – aqueles que nasceram centenas de milhões de anos após o Big Bang – cresceu incrivelmente grande, atingindo dezenas de milhares de vezes o tamanho do Sol.”
Os resultados ajudam a explicar as observações intrigantes feitas pelo Telescópio Espacial James Webb, que detectou buracos negros massivos que existiram muito antes do que muitas teorias previam.
“Esta descoberta resolve um grande enigma na astronomia”, disse o Dr. Lewis Prohl, pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Michigan e membro da equipe de pesquisa. “É por isso que os buracos negros nascidos no universo primitivo foram capazes de atingir massas supermassivas tão rapidamente, como observado pelo Telescópio Espacial James Webb.”
O frenesi alimentar do buraco negro
Simulações sugerem que as primeiras galáxias densas e ricas em gás foram um dos principais impulsionadores deste rápido crescimento. Nestes ambientes, os buracos negros passam por um crescimento breve mas dramático através de um processo conhecido como “acreção super-Eddington”. Isso acontece quando um buraco negro suga material mais rápido do que sugere a física convencional.
Em circunstâncias normais, a radiação que atinge o material empurra o gás para longe. No entanto, no Universo primitivo, os buracos negros continuaram de alguma forma a alimentar-se apesar desta limitação, permitindo-lhes ganhar massa a um ritmo surpreendente.
Este processo parece fornecer um elo perdido há muito tempo entre as primeiras estrelas do Universo e os buracos negros supermassivos mais tarde vistos nos centros das galáxias.
Repensando a origem dos buracos negros
“Anteriormente, pensava-se que estes minúsculos buracos negros eram demasiado pequenos para se transformarem nos buracos negros massivos observados nos centros das primeiras galáxias,” disse Daksar Mehta. “O que mostramos aqui é que estes primeiros buracos negros, embora pequenos, foram capazes de crescer a taxas surpreendentes nas condições certas.”
Os astrónomos dividem os primeiros buracos negros em duas grandes categorias, nomeadamente os tipos de “sementes pesadas” e “sementes leves”. Os buracos negros com sementes leves têm massas relativamente pequenas, da ordem de dez a várias centenas de vezes a massa do Sol. Para se tornarem supermassivos, devem crescer dramaticamente ao longo do tempo, atingindo eventualmente milhões de massas solares.
Em contraste, pensa-se que os buracos negros com sementes pesadas já são grandes quando se formam, talvez pesando até 100.000 vezes a massa do Sol no seu nascimento.
Desafie suposições de longa data
Até agora, muitos cientistas acreditavam que apenas buracos negros com sementes pesadas poderiam explicar a existência de buracos negros supermassivos no universo primitivo.
“No momento não temos tanta certeza”, disse o Dr. John Regan, do Departamento de Física da Universidade de Michigan e líder da equipe de pesquisa. “As sementes pesadas são um pouco mais exóticas e podem exigir condições raras para se formarem. As nossas simulações mostram que buracos negros ‘comuns’ de massa estelar poderiam crescer a taxas extremamente elevadas no Universo primitivo.”
As descobertas sugerem que o universo primitivo era mais turbulento e produtivo na formação de buracos negros gigantes do que se supunha anteriormente.
Dr Regan disse: “O universo primitivo era mais caótico e turbulento do que esperávamos, e havia muito mais buracos negros massivos do que esperávamos.”
Impacto em futuras missões espaciais
Além de remodelar a teoria da formação de buracos negros, esta pesquisa também tem implicações para os próximos observatórios espaciais. Em particular, poderá afectar as expectativas dos cientistas para a missão conjunta Agência Espacial Europeia-NASA Laser Interferometer Space Antenna (LISA), com lançamento previsto para 2035.
Dr Regan disse: “As futuras observações de ondas gravitacionais da missão podem ser capazes de detectar a fusão desses minúsculos buracos negros bebês, iniciais e de rápido crescimento.”
Tais detecções proporcionariam uma nova forma poderosa de estudar os primeiros buracos negros do Universo e confirmar se estas condições de rápido crescimento eram o que as simulações sugerem.
