O universo primordial impulsionou o crescimento dos buracos negros
Um dos mais longos enigmas da astronomia tem sido entender como os buracos negros cresceram tanto em tão pouco tempo cósmico. Os cientistas há muito sabem que buracos negros supermassivos existiram surpreendentemente cedo no universo, mas como eles alcançaram esses tamanhos enormes permaneceu incerto. Agora, pesquisadores da Universidade Maynooth, na Irlanda (MU), relatam uma explicação…
Um dos mais longos enigmas da astronomia tem sido entender como os buracos negros cresceram tanto em tão pouco tempo cósmico. Os cientistas há muito sabem que buracos negros supermassivos existiram surpreendentemente cedo no universo, mas como eles alcançaram esses tamanhos enormes permaneceu incerto. Agora, pesquisadores da Universidade Maynooth, na Irlanda (MU), relatam uma explicação inovadora em um novo estudo publicado na Nature Astronomy.
Dezembro Crescimento Após o Big Bang
De acordo com a equipe, a resposta reside nas condições extremas e caóticas do início do universo.
“Descobrimos que as condições caóticas que existiam no início do Universo fizeram com que buracos negros menores e mais antigos crescessem nos buracos negros supermassivos que vemos mais tarde, em meio a uma explosão de alimentação que devorou material ao seu redor,” diz Daxal Mehta, um candidato a PhD do Departamento de Física da Universidade Maynooth e autor principal do estudo.
Usando simulações computacionais avançadas, os pesquisadores reconstruíram como os primeiros buracos negros se comportaram logo após sua formação.
“Revelamos, utilizando simulações computacionais de última geração, que a primeira geração de buracos negros – aqueles nascidos apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang — cresceu incrivelmente rápido, atingindo tamanhos que são dezenas de milhares de vezes maiores que o nosso Sol.”
Esses resultados ajudam a explicar observações surpreendentes feitas pelo Telescópio Espacial James Webb, que detectou buracos negros massivos existentes muito antes do que muitas teorias previram.
“Essa descoberta desbloqueia um dos grandes mistérios da astronomia,” diz o Dr. Lewis Prole, um pós-doutorando na MU e membro da equipe de pesquisa. “Isso diz respeito a como buracos negros, nascidos no início do Universo, como observado pelo Telescópio Espacial James Webb, conseguiram alcançar tamanhos supermassivos tão rapidamente.”
Uma Explosão de Alimentação de Buracos Negros
As simulações apontam para galáxias densas e ricas em gás como o principal fator impulsionador desse crescimento rápido. Nesses ambientes, os buracos negros experimentaram surtos de crescimento breves, mas intensos, através de um processo conhecido como ‘acresção super Eddington’. Isso acontece quando um buraco negro puxa matéria mais rápido do que a física convencional sugere que deveria conseguir.
Em condições normais, a radiação da matéria em queda empurraria o gás para longe. No entanto, no início do universo, os buracos negros continuaram a se alimentar apesar desse limite, permitindo que ganhassem massa em taxas extraordinárias.
Esse processo parece fornecer uma conexão que faltava entre as primeiras estrelas do universo e os buracos negros supermassivos vistos mais tarde nos centros das galáxias.
Repensando as Origens dos Buracos Negros
“Esses pequenos buracos negros eram anteriormente considerados muito pequenos para crescerem até os buracos negros gigantes observados no centro das galáxias antigas,” diz Daxal Mehta. “O que mostramos aqui é que esses buracos negros antigos, embora pequenos, são capazes de crescer de forma espetacularmente rápida, dada as condições certas.”
Os astrônomos classificam os buracos negros antigos em duas categorias gerais conhecidas como tipos ‘sementes pesadas’ e ‘sementes leves’. Buracos negros de sementes leves começam com massas relativamente modestas, variando de cerca de dez a algumas centenas de vezes a massa do nosso Sol. Para se tornarem supermassivos, eles devem crescer dramaticamente ao longo do tempo, eventualmente alcançando milhões de massas solares.
Por outro lado, acredita-se que buracos negros de sementes pesadas já se formem com grandes dimensões, pesando potencialmente até cem mil vezes a massa do Sol ao nascer.
Desafiando Suposições de Longa Data
Até agora, muitos cientistas acreditavam que apenas buracos negros de sementes pesadas poderiam explicar a presença de buracos negros supermassivos no universo primitivo.
“Agora, não estamos tão certos,” diz o Dr. John Regan do Departamento de Física da MU e líder do grupo de pesquisa. “Sementes pesadas são um pouco mais exóticas e podem necessitar de condições raras para se formarem. Nossas simulações mostram que buracos negros de massa estelar ‘comuns’ podem crescer em taxas extremas no início do universo.”
As descobertas sugerem que o cosmos primitivo foi muito mais turbulento e produtivo na formação de buracos negros massivos do que se pensava anteriormente.
“O universo primordial é muito mais caótico e turbulento do que esperávamos, com uma população muito maior de buracos negros massivos do que antecipávamos,” diz o Dr. Regan.
Implicações para Futuras Missões Espaciais
Além de reformular teorias sobre a formação de buracos negros, a pesquisa também tem implicações para os futuros observatórios espaciais. Em particular, pode influenciar o que os cientistas esperam ver na missão conjunta da Agência Espacial Europeia e da NASA, Laser Interferometer Space Antenna (LISA), programada para lançamento em 2035.
“Futuras observações de ondas gravitacionais dessa missão poderão detectar as fusões desses pequenos buracos negros, que crescem rapidamente,” diz o Dr. Regan.
Tais detecções ofereceriam uma nova e poderosa maneira de estudar os primeiros buracos negros do universo e confirmar se esses cenários de crescimento rápido realmente ocorreram, como as simulações sugerem.
