Forma ultrarrara de matéria poderia explicar os buracos negros “impossíveis” detectados pelo telescópio Webb
Um estudo recente trouxe uma possível solução para um dos maiores enigmas da cosmologia: como os buracos negros supermassivos cresceram tão rapidamente no início do universo. Pesquisadores introduziram um novo modelo físico que sugere que as sementes desses buracos negros colossais podem ter se formado através do colapso de uma entidade misteriosa conhecida como matéria escura.
A matéria escura é um componente enigmático do universo, invisível e que interage com outras matérias apenas por meio da gravidade. Ela forma a base estrutural para a formação das galáxias. No entanto, apesar de sua importância, a verdadeira natureza da matéria escura continua sendo um dos maiores mistérios da astrofísica. O modelo cosmológico padrão assume que a matéria escura interage apenas pela gravidade, mas essa abordagem não consegue explicar a existência dos buracos negros supermassivos já 800 milhões de anos após o Big Bang.
Observações de telescópios como o Telescópio Espacial James Webb (JWST) revelaram quasares — objetos extremamente brilhantes alimentados por buracos negros supermassivos — nesses períodos iniciais. Esses objetos possuem massas mais de um bilhão de vezes a do sol. Os modelos tradicionais que dependem da acreção de gás e de fusões com outros buracos negros e galáxias não conseguem explicar como esses buracos negros cresceram tanto em tão pouco tempo.
Matéria Escura Ultra Auto-interativa: A Solução Inesperada
Para enfrentar esses desafios, a equipe propôs um subcomponente da matéria escura chamado matéria escura ultra auto-interativa. Diferente da matéria escura padrão, essa variante — que representaria menos de 10% da matéria escura total no universo primitivo — exibiria fortes auto-interações. Essa característica permitiria que as partículas dessa matéria escura se agrupassem nos centros dos halos galácticos.
Grant Roberts, coautor do estudo e estudante de doutorado na Universidade da Califórnia, Santa Cruz, explicou que a interação auto-interativa da matéria escura é essencial porque as partículas precisam de uma maneira de se espalhar umas nas outras, muito mais forte do que apenas interações gravitacionais. Esse espalhamento faz com que a matéria escura se concentre nas regiões centrais das galáxias, permitindo que colapsem em sementes de buracos negros supermassivos.
Essas fortes auto-interações levariam as partículas de matéria escura ultra auto-interativa aos centros galácticos, onde formariam núcleos densos que eventualmente colapsariam em buracos negros. Se esse processo ocorresse cedo na evolução de uma galáxia, poderia ter semeado buracos negros supermassivos, permitindo que crescessem através de processos convencionais de acreção de gás. Notavelmente, o modelo evita os lentos cronogramas dos mecanismos tradicionais de formação de buracos negros supermassivos, possibilitando um crescimento rápido enquanto permanece consistente com outras observações astrofísicas.
Testando a Teoria com Observações de Quasares
Para validar seu modelo, os pesquisadores analisaram uma amostra de três quasares com massas e idades bem medidas. Esses objetos, observados pelo JWST e outros telescópios, servem como pontos de referência críticos para calibrar o modelo de matéria escura ultra auto-interativa.
A equipe descobriu que seu modelo reproduziu com sucesso os parâmetros observados dos quasares, mesmo sob diferentes suposições sobre a dependência da velocidade da força de auto-interação da matéria escura. Roberts destacou que o que torna o modelo mais favorável é a capacidade de calibrar diretamente a força da auto-interação, bem como o quão pequena essa fração precisa ser, a partir da idade e massa dos buracos negros supermassivos observados.
Um dos aspectos mais empolgantes do modelo de matéria escura ultra auto-interativa são suas previsões testáveis. A hipótese sugere a existência de buracos negros de massa intermediária em galáxias anãs — galáxias menores e menos massivas que a nossa. Observar esses buracos negros e sua distribuição poderia fornecer evidências diretas para o modelo.
Se os telescópios observarem essas galáxias anãs e medirem a massa desses buracos negros, poderemos comparar diretamente com o que nosso modelo prevê, afirmou Roberts. O modelo também prevê o número e os tamanhos desses buracos negros, que podem ser verificados com dados observacionais futuros.
O estudo, publicado em 14 de janeiro no Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, destaca o potencial para mais insights do JWST, que continua a descobrir novos buracos negros supermassivos em distâncias cada vez maiores. Essas descobertas podem colocar restrições mais rigorosas nos cronogramas de formação de buracos negros supermassivos e refinar os parâmetros do modelo de matéria escura ultra auto-interativa.
Com o advento de ainda mais buracos negros supermassivos sendo descobertos pelo JWST, seremos capazes de impor mais restrições aos parâmetros do nosso modelo, observou Roberts. À medida que o JWST encontra mais desses buracos negros, queremos ver como nossos novos modelos impactam o que prevemos para as massas e abundâncias de buracos negros de massa intermediária no universo.
