“Sementes” de buracos negros encontradas pela primeira vez no início do universo
Astrônomos podem ter encontrado as primeiras evidências de “sementes” de buracos negros massivos no início do universo.
Essas possíveis sementes podem fornecer explicações sobre o rápido desenvolvimento de buracos negros supermassivos com massas equivalentes a milhões ou mesmo bilhões de vezes a massa do Sol, que conseguiram surgir em menos de 1 bilhão de anos após o ocorrido do Big Bang.
O conceito de sementes de buracos negros pesados refere-se a buracos negros com massas em torno de 40 milhões de vezes a massa do nosso Sol. Acredita-se que eles se formem a partir do colapso direto de vastas nuvens de gás, uma variação do nascimento habitual de buracos negros quando estrelas massivas chegam ao fim de seus ciclos de vida e colapsam sob sua própria força gravitacional. Essas sementes de buracos negros pesados estão associadas a galáxias conhecidas como Galáxias de Buracos Negros de Tamanho Excessivo (OBGs).
Presume-se que essas galáxias estejam localizadas em grandes distâncias, visíveis por meio de telescópios como eram quando o universo tinha cerca de 400 milhões de anos, em sua existência de 13,8 bilhões de anos. Pesquisas recentes podem ter identificado uma dessas OBGs.
Um grupo de cientistas liderado por Akos Bogdán do Centro de Astrofísica de Harvard e Smithsonian identificou um objeto celeste com uma massa característica de buracos negros ao examinar um quasar usando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) e o Observatório de Raios-X Chandra da NASA. Os quasares são núcleos extremamente radiantes e ativos de galáxias alimentados por buracos negros supermassivos. Na verdade, eles podem ser tão luminosos que sua luminosidade supera a radiância combinada de todas as estrelas dentro de sua galáxia hospedeira.
O quasar sob investigação reside em uma galáxia chamada UHZ1.
Os dados coletados do JWST e do Chandra em relação ao UHZ1 correspondiam às características antecipadas de uma OBG. Por meio do Chandra, a equipe observou emissões de raios-X que indicavam um buraco negro alimentando ou acumulando-se associado ao quasar. Essa observação sugeriu fortemente que a galáxia circundante era uma OBG.
Os pesquisadores também cruzaram suas observações com simulações do rápido crescimento de sementes de buracos negros pesados, revelando uma correspondência significativa. O alinhamento mais próximo que descobriram foi com uma semente de cerca de 10.000 massas solares que cresceu ao longo de várias centenas de milhões de anos.
“À luz do notável acordo entre as características observadas em várias faixas de comprimentos de onda de UHZ1 e as previsões de modelos teóricos, propomos UHZ1 como a primeira candidata a OBG reconhecida, pendente de validação espectroscópica de seu desvio para o vermelho”, os autores explicaram em uma publicação detalhando suas descobertas. “Assim, como a pioneira candidata a OBG, UHZ1 apresenta evidências convincentes para a formação de sementes iniciais substanciais através do colapso direto no início do universo.”
O mecanismo por trás do crescimento dos buracos negros
O tamanho substancial dos buracos negros supermassivos não intriga muito os cientistas, já que esses gigantes cósmicos tiveram bilhões de anos para expandir assimilando gás e poeira circundantes e fundindo-se com outros buracos negros. Por exemplo, o buraco negro supermassivo no centro de nossa Via Láctea, conhecido como Sagitário A* (Sgr A*), conseguiu crescer até cerca de 4,5 milhões de vezes a massa do Sol ao longo do tempo. Outro exemplo é o buraco negro no núcleo da galáxia M87, que é ainda maior, pesando aproximadamente 5 bilhões de vezes a massa do nosso Sol.
No entanto, esses mecanismos de crescimento, estimados para ocorrer ao longo de bilhões de anos, apresentam um desafio quando se trata de explicar a existência de buracos negros supermassivos que surgiram em apenas 500 milhões a 1 bilhão de anos após o Big Bang. Os métodos sugeridos para acumulação de massa não teriam tido tempo suficiente para gerar buracos negros tão colossais. No entanto, astrônomos estudando o início do universo com instrumentos como o JWST têm encontrado exatamente esse tipo de buraco negro supermassivo.
Analogia de John Reagan, pesquisador da Universidade de Maynooth: Visualize uma família caminhando na rua com dois adolescentes de dois metros de altura e um bebê de dois metros de altura. Isso suscita a pergunta de como o bebê cresceu tão rapidamente para essa altura. Essa analogia reflete o mistério da rápida expansão dos buracos negros supermassivos no universo.
Uma hipótese propõe que esses buracos negros obtiveram uma vantagem inicial em seus processos de acumulação de massa originando-se de “sementes” menores.
Existem dois pontos de vista principais sobre esse assunto. Alguns especialistas propõem que buracos negros supermassivos poderiam ter se formado a partir de sementes leves de buracos negros com massas em torno de 10 a 100 vezes a massa do Sol. Essas sementes mais leves poderiam ter se formado através do mecanismo típico de criação de buracos negros de massa estelar, ou seja, a morte e o colapso das primeiras estrelas do universo.
Por outro lado, buracos negros supermassivos iniciais poderiam ter se originado de sementes pesadas de buracos negros com massas colossais em torno de 100.000 vezes a massa do Sol. Esses buracos negros poderiam ter emergido diretamente do colapso de extensas nuvens de matéria, evitando o estágio intermediário de “estrela” de outros buracos negros. Esses são conhecidos como buracos negros de colapso direto (DCBHs).
Esses DCBHs poderiam ter se desenvolvido em conjunto com fusões galácticas, um fenômeno comum no início do universo que forneceria uma oferta de gás e poeira para esses vazios assimilarem. Colisões subsequentes e fusões com outros buracos negros poderiam ter contribuído ainda mais para seu crescimento.
A analogia de Reagan é semelhante a um bebê de dois metros de altura nascendo com um comprimento de três metros. Embora isso possa ser intrigante, oferece uma explicação melhor para o rápido crescimento do bebê até o tamanho de um adulto, em comparação com se ele tivesse começado como um bebê de tamanho médio.
Outras sementes menores de buracos negros não são previstas para dar origem a OBGs. Portanto, a identificação de UHZ1 como uma OBG apoia a existência de sementes de buracos negros pesados e confere credibilidade ao papel delas no desenvolvimento inicial de buracos negros supermassivos.
Os próprios autores reconhecem as limitações de seu estudo e pedem cautela ao extrapolar que o buraco negro dentro de UHZ1 tenha atingido um estado supermassivo. Eles também enfatizam que a probabilidade de tal crescimento depende do ambiente em que uma semente potencial está situada, exigindo uma abundância de gás e poeira para sustentar sua expansão.
É necessária uma investigação considerável adicional antes de confirmar uma população de sementes de buracos negros pesados e estabelecer sua conexão com buracos negros supermassivos no início do universo. No entanto, essas descobertas representam um passo nessa direção.
“À medida que o JWST identifica mais buracos negros em crescimento [distantes e iniciais] nos próximos ciclos, planejamos analisar essas fontes, explorar possíveis contrapartes de raios-X usando o Chandra e obter uma compreensão mais profunda das OBGs e da física das sementes pesadas”, concluiu a equipe.
“Essa detecção adiciona mais peso à hipótese das sementes pesadas”, comentou Regan. “Quando combinada com outras massas de buracos negros observadas pelo JWST, as evidências cada vez mais favorecem a ideia de que o crescimento dos buracos negros supermassivos foi iniciado por sementes pesadas.”
A pesquisa da equipe foi submetida ao Astrophysical Journal Letters e está atualmente disponível no repositório de artigos arXiv. [Space]
