Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert
Buracos negros supermassivos são alguns dos objetos mais pesados do Universo. Com milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, sua evolução é difícil de explicar.
E a faixa de massa mais alta para esses objetos, particularmente no início da história do Universo, é ainda mais desafiadora. Esses buracos negros ultramassivos têm massas superiores a 10 bilhões de Sóis e não são apenas teóricos. Uma galáxia chamada J2157 que se formou há cerca de 12,3 bilhões de anos, abrigava um buraco negro de 34 bilhões de massas solares, enquanto uma galáxia chamada S5 0014+81, com cerca de 12,1 bilhões de anos, tinha um monstrengo de 40 bilhões de massa solar.
Se esses buracos negros estivessem apenas parados, crescendo alimentando-se de material ao seu redor, não seria possível, quando o Universo tinha menos de 10% de sua idade atual, deles terem tempo suficiente para ficarem tão grandes.
Obviamente, no entanto, sua existência não é impossível. Eles estão por aí, afinal. E uma nova simulação, usando um poderoso supercomputador para modelar o Universo primitivo, nos deu um meio pelo qual esses monstros podem existir, sem quebrar nossos atuais modelos cosmológicos.
“Descobrimos que um possível meio de formação para buracos negros ultramassivos é a fusão extrema de galáxias massivas que provavelmente ocorrerá na época do chamado ‘meio-dia cósmico'”, explicou o astrofísico Yueying Ni, do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA).
Um crescimento lento por acreção é apenas uma maneira pela qual os buracos negros podem ganhar massa. Outra forma, que observamos de fato nos últimos anos, é a colisão entre dois buracos negros. Este é um tipo de atalho para ganhar uma grande quantidade de massa, resultando em um buraco negro que é um pouco menor que a massa combinada dos objetos pré-fusão, já que uma pequena porcentagem da massa escapa como energia gravitacional durante a fusão.
Para determinar como os buracos negros ultramassivos podem se formar no Universo primordial, Ni e seus colegas usaram um software especialmente desenvolvido chamado Astrid, projetado para estudar a evolução do Universo, incluindo a formação de galáxias e fusões de buracos negros supermassivos. Eles executaram Astrid em um supercomputador chamado Frontera no Centro de Computação Avançado do Texas.
Um supercomputador é necessário, porque você precisa de um grande volume de espaço para observar valores atípicos extremos, como buracos negros ultramassivos, e isso, por sua vez, requer uma grande quantidade de poder computacional. Mas valeu a pena: cerca de 10 bilhões de anos atrás, os pesquisadores viram buracos negros de cerca de 10 bilhões de massas solares se formando.
“O que descobrimos são três buracos negros ultramassivos que acumularam sua massa durante o meio-dia cósmico, o tempo há 11 bilhões de anos, quando a formação de estrelas, núcleos galácticos ativos (NGA) e buracos negros supermassivos em geral atingem seu pico de atividade”, disse Ni.
“Nesta época, vimos uma fusão extrema e relativamente rápida de três galáxias massivas. Cada uma das massas da galáxia é 10 vezes a massa da nossa própria Via Láctea, e um buraco negro supermassivo fica no centro de cada galáxia. Nossas descobertas mostram a possibilidade de que esses sistemas trigêmeos de quasares são os progenitores desses raros buracos negros ultramassivos, depois que esses trigêmeos interagem gravitacionalmente e se fundem uns com os outros.”
Sabemos que as galáxias às vezes colidem e se fundem umas com as outras – a própria Via Láctea é uma espécie de monstro de galáxias menores à la Frankenstein – e que essas fusões podem ser colisões de três vias. A simulação Astrid mostra que isso também pode ocorrer no início do Universo, com quasares de grande massa.
Estas são uma classe de galáxias com um buraco negro supermassivo hiperativo no centro, consumindo ativamente tanto material que brilha com luz por bilhões de anos-luz, sendo os objetos mais brilhantes do Universo.
Quando essas galáxias se fundem, seus buracos negros supermassivos também se fundem, afundando em direção ao centro da galáxia massiva recém-combinada para conduzir uma dança orbital que acabará por ver uma coalescência maciça de buracos negros. Não sabemos a taxa com que essas colisões ocorrem – a frequência das ondas gravitacionais que elas emitem é muito baixa para nosso alcance de detecção atual – mas as estimativas sugerem que isso acontece bastante.
No entanto, novos avanços na tecnologia podem significar que estamos muito mais perto de encontrar evidências observacionais dessas fusões. A próxima Antena Espacial de Interferômetro a Laser (LISA) da NASA baseada no espaço será capaz de detectar uma gama muito maior de ondas gravitacionais; e o poderoso Telescópio Espacial James Webb está agora observando o Universo distante para desvendar seus segredos.
As descobertas da equipe e as simulações do Astrid poderão ajudar os cientistas a interpretar melhor as observações do JWST e descobrir como o meio-dia cósmico moldou o Universo que vemos ao nosso redor hoje.
“Este é um momento emocionante para os astrofísicos”, disse Ni.
A pesquisa foi publicada no The Astrophysical Journal Letters.
