Como buracos negros massivos nasceram, no início do universo?
Simulação de um aglomerado de jovens galáxias gerando radiação e metais enquanto aquecem o gás circundante. Um halo de matéria escura nesta região aquecida pode formar estrelas ou buracos negros massivos
Inacreditavelmente, a luz liberada em torno dos primeiros buracos negros massivos é tão intensa que tem viajado até nós por mais de 13 bilhões de anos-luz.
Como esses monstruosos buracos negros se formaram, no início do universo?
Novas pesquisas conduzidas por cientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia (EUA), Universidade da Cidade de Dublin (Irlanda), Universidade Estadual de Michigan (EUA), Universidade da Califórnia em San Diego (EUA) e IBM apontam um caminho promissor para resolver este enigma cósmico.
A equipe mostrou que, quando galáxias se reúnem de forma extremamente rápida e por vezes violenta, isso pode levar à formação de buracos negros muito massivos. Nestas galáxias raras, a formação normal de estrelas é interrompida, dando lugar a formação destes curiosos objetos.
Novo paradigma
Antes, os cientistas pesavam que a formação maciça de buracos negros era limitada a regiões bombardeadas pela poderosa radiação de galáxias próximas. O novo estudo, no entanto, indica que buracos negros massivos se formam em densas regiões sem estrelas que estão crescendo rapidamente.
Os principais critérios para determinar onde esses buracos negros se formaram durante a infância do universo se relacionam com o rápido crescimento de nuvens de gás pré-galácticas precursoras de todas as galáxias atuais, significando que a maioria dos buracos negros supermassivos tem uma origem comum.
A matéria escura colapsa em halos que são a “cola” gravitacional de todas as galáxias. O rápido crescimento inicial desses halos impede a formação de estrelas que competiriam com buracos negros pela matéria gasosa que flui na área.
“Neste estudo, descobrimos um mecanismo totalmente novo que desencadeia a formação de buracos negros maciços em determinados halos de matéria escura”, resumiu John Wise, um dos autores da pesquisa do Instituto de Tecnologia da Geórgia.
Simulação
A equipe de pesquisa encontrou esses locais de formação de buracos negros usando simulações do conjunto de dados Renaissance Simulation, criado no supercomputador Blue Waters entre 2011 e 2014 para ajudar os cientistas a entender como o universo evoluiu durante seus primeiros anos.
“As teorias anteriores sugeriam que isso só deveria acontecer quando os locais fossem expostos a altos níveis de radiação de formação de estrelas. À medida que nos aprofundávamos, vimos que esses locais estavam passando por um período de crescimento extremamente rápido. Essa era a chave. A natureza violenta e turbulenta desse rápido crescimento impediu a formação normal de estrelas e levou a condições perfeitas para a formação de buracos negros. Esta pesquisa muda o paradigma e abre toda uma nova área de pesquisa”, esclareceu John Regan, outro pesquisador da Universidade da Cidade de Dublin.
“Enquanto a radiação UV ainda é um fator, nosso trabalho mostrou que não é o fator dominante, pelo menos em nossas simulações”, complementou Michael Norman, diretor do Centro de Supercomputadores da Universidade da Califórnia em San Diego.
Estudando os halos
Para aprender mais sobre regiões específicas onde os buracos negros maciços foram propensos a se desenvolver, os pesquisadores examinaram os dados da simulação e encontraram dez halos específicos de matéria escura que deveriam ter formado estrelas devido a suas massas, mas continham apenas uma densa nuvem de gás.
Usando o supercomputador Stampede2, eles simularam novamente dois desses halos – cada um com cerca de 2.400 anos-luz de diâmetro – com uma resolução muito maior para entender os detalhes do que aconteceu neles 270 milhões de anos após o Big Bang.
“Foi somente nessas regiões excessivamente densas do universo que vimos esses buracos negros se formando”, disse Wise. “A matéria escura cria a maior parte da gravidade, e então o gás cai nesse potencial gravitacional, onde pode formar estrelas ou um enorme buraco negro”.
A resolução melhorada da simulação feita nas duas regiões candidatas permitiu aos cientistas ver a turbulência e o influxo de gás e aglomerados de matéria se formando à medida que os precursores do buraco negro começaram a se condensar e girar, confirmando sua taxa de crescimento dramática.
Próximos passos
Outro aspecto da pesquisa é que os halos que dão origem a buracos negros podem ser mais comuns do que se acreditava anteriormente.
“Um componente interessante deste trabalho é a descoberta de que esses tipos de halos, embora raros, podem ser bastante comuns”, afirmou Brian O’Shea, professor da Universidade Estadual de Michigan. “Nós prevemos que este cenário é frequente o suficiente para ser a origem dos buracos negros mais massivos observados, tanto no início do universo quanto nas galáxias atuais”.
Trabalhos futuros com essas simulações devem examinar o ciclo de vida dessas galáxias de formação de buracos negros, estudando o crescimento e a evolução desses primeiros buracos negros ao longo do tempo.
As simulações do Renaissance Simulation são suficientemente ricas para que outras descobertas possam ser feitas usando os dados já computados. “Por essa razão, criamos um arquivo público onde outros podem fazer perguntas por conta própria”, disse Norman.
Um artigo com as descobertas do estudo foi publicado na revista científica Nature. [Phys]
