Buracos negros estranhos podem conter segredos do início do universo

Traduzido e Adaptado por Mateus Lynniker de ScienceNews

O coração da nossa galáxia é um monstro guloso. Como o mítico Kammapa do povo Sotho do sul da África, o buraco negro supermassivo central da Via Láctea engoliu quase tudo ao seu redor, ficando cada vez mais pesado quanto mais come. E não está sozinho. Buracos negros pesando tanto quanto milhares, milhões ou até bilhões de sóis estão no centro de quase todas as galáxias massivas conhecidas.

Durante décadas, os cientistas pensaram que esse era o único lugar onde encontrariam tais gigantes, porque apenas galáxias massivas tinham material suficiente para alimentar o apetite excessivo dos monstros. Mas a partir de cerca de duas décadas atrás, as simulações de computador dos primeiros buracos negros começaram a revelar esquisitices – grandes buracos negros que não estavam exatamente onde eram esperados. Esses desajustados devem ser nada mais do que acasos, muitos cientistas raciocinaram na época, descartando os resultados sem pensar duas vezes.

Mas outros não tinham tanta certeza de que os excêntricos deveriam ser descartados. Se as observações mostrarem que esses buracos negros incomuns existem no universo próximo, especularam esses astrofísicos, eles poderiam ser pistas inexploradas da infância e adolescência do universo.

“Podemos, estranhamente, [aprender sobre] o superinício do universo observando as coisas muito próximas de nós”, diz a astrofísica teórica Jillian Bellovary, do Queensborough Community College, na cidade de Nova York.

A noção permaneceu apenas uma ideia por anos. Mas agora, a existência desses desajustados não é tão fácil de ignorar. Os astrônomos descobriram sinais de uma série de buracos negros inesperadamente massivos nas menores galáxias do universo e, surpreendentemente, alguns desses buracos negros não parecem estar no centro de suas galáxias. Ainda mais intrigante, os astrônomos descobriram evidências de buracos negros vagando nas bordas de suas galáxias e, em casos raros, sendo chutados de suas casas para o espaço intergaláctico.

Talvez esses buracos negros não sejam apenas inconformistas cósmicos, mas sim grandes atores na história do nosso universo. Nesse caso, eles são uma ferramenta para investigar um dos maiores mistérios de toda a astrofísica – como surgiram os Kammapas cósmicos que vemos hoje.

“Sem entender o que os buracos negros estão fazendo, você não pode entender a evolução das galáxias”, diz Xiaohui Fan, cosmólogo da Universidade do Arizona em Tucson, tornando impossível explicar a paisagem do universo.

Pequenas galáxias podem ter grandes buracos negros

Nossa compreensão cosmológica atual de como os buracos negros ficaram tão grandes é mais ou menos assim: à medida que as galáxias crescem, colidem e se fundem ao longo do tempo cósmico, elas adquirem um monte de novas estrelas, gás e poeira. Os buracos negros nos centros das galáxias crescem em sincronia, inflando à medida que se fundem e se alimentam do material recém-adquirido. Uma estimativa aproximada coloca o peso de um buraco negro supermassivo em algo em torno de um milésimo da massa de sua galáxia natal.

Nesse cenário, as menores galáxias do universo, chamadas galáxias anãs, provavelmente não passaram por muitas fusões no passado. Derrubando a balança em apenas cerca de um milionésimo da massa da Via Láctea, eles deveriam ter buracos negros relativamente pequenos, ou nenhum.

Mas no final dos anos 2000, a astrofísica Marta Volonteri, do Institut d’Astrophysique de Paris, na Universidade Sorbonne, ajudou a executar simulações de computador que rastrearam a evolução de buracos negros maciços desde o nascimento até hoje. Nesses esforços, quase tão logo surgiram, mesmo as menores galáxias poderiam ter buracos negros surpreendentemente grandes. Com o passar do tempo, algumas dessas galáxias nunca cresceram ou se fundiram com outras, deixando-as intactas após bilhões de anos de evolução cósmica.

Uma ideia maluca ocorreu a Volonteri e seus colegas: essas galáxias e seus buracos negros eram relíquias do nascimento do universo. Se buracos negros maciços em galáxias anãs existissem, e se os astrônomos pudessem encontrá-los, esses buracos negros seriam uma janela sem precedentes sobre como os primeiros buracos negros se formaram.

Os primeiros indícios de que eles existem vieram de um achado fortuito da astrônoma Amy Reines. Mais de uma década atrás, ela estava na pós-graduação na Universidade da Virgínia, em Charlottesville, analisando dados de telescópio em uma galáxia anã a 30 milhões de anos-luz da Terra. Estava cheio de estrelas, e Reines estava tentando aprender mais sobre como essas bolas de gás quente nascem.

Inicialmente, Reines analisou os dados da galáxia, chamados Henize 2-10, em comprimentos de onda de rádio e infravermelho próximo. Ela avistou um chocalho cósmico de bebê, uma ponte de gás de aproximadamente 300 anos-luz conectando duas bolas de poeira envolvendo estrelas recém-coalescentes. Um mergulho mais profundo nos dados revelou emissões extremas de rádio bem no meio do chocalho, juntamente com raios-X brilhantes vindos do mesmo local, indícios de um enorme buraco negro com uma massa de um milhão de sóis.

“Eu não tinha visto isso antes”, diz Reines, agora na Montana State University em Bozeman. Galáxias anãs, ela também assumiu, não deveriam ter grandes buracos negros. Ela permaneceu cética em relação à sua interpretação até alguns meses depois, quando participou de uma palestra em Seattle na reunião da American Astronomical Society de 2011.

Foi lá que Bellovary, então pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Michigan em Ann Arbor e em colaboração com Volonteri, apresentou novas simulações de formação de galáxias. Bellovary descreveu a formação de galáxias com uma variedade de massas e histórias e discutiu como os resultados poderiam fazer previsões sobre como os buracos negros massivos estão espalhados pelo universo.

Como o trabalho anterior de Volonteri, as simulações de Bellovary sugeriram que grandes galáxias não eram as únicas a abrigar grandes buracos negros; galáxias esqueléticas também podem tê-los.

Em uma sessão na mesma reunião, Reines destacou sua descoberta da galáxia anã Henize 2-10 e seu buraco negro incomumente massivo. Como dois buracos negros circulando um ao outro e depois colidindo, simulações de computador inesperadas encontraram observações inesperadas do mundo real.

O trabalho combinado sugeriu que não apenas as galáxias massivas têm grandes buracos negros, mas talvez a maioria das galáxias também, diz Fan. E isso levantou muitas novas questões sobre como os buracos negros e as galáxias crescem juntos.

Depois de ouvir a palestra de Bellovary e publicar suas próprias descobertas, Reines mudou seu foco de pesquisa do nascimento de estrelas para encontrar grandes buracos negros. Os gigantes a atraíram. Ela lançou um esforço para procurá-los em galáxias anãs. Como outros astrônomos, ela decidiu escanear os céus em busca de anéis de migalhas cósmicas que queimam intensamente ao redor de buracos negros alimentadores nos centros das galáxias – núcleos galácticos ativos. É onde deveriam estar os buracos negros, ela presumiu. “Quero dizer, está no nome, núcleos galácticos ativos”, explica ela.

Reines vasculhou os dados do Sloan Digital Sky Survey procurando as assinaturas de luz visível dos buracos negros centrais. Das cerca de 25.000 galáxias anãs em sua análise, 151 delas pareciam abrigar um grande buraco negro , ela e seus colegas relataram em 2013.

Volonteri diz que ficou exultante com os resultados. Eles validaram sua ideia maluca de que as galáxias anãs poderiam ter buracos negros realmente grandes e, possivelmente, que esses buracos negros poderiam nos dizer algo sobre os primeiros buracos negros.

Uma pista chave pode estar nas massas dos buracos negros das galáxias anãs. As duas ideias principais de como os primeiros buracos negros se formaram criam buracos negros de massas diferentes. Uma ideia supõe que esses buracos negros se formaram a partir da implosão das primeiras estrelas e tenderiam a ser relativamente leves. A outra ideia sugere que os primeiros buracos negros se formaram a partir do colapso direto de nuvens gigantes de gás e seriam mais pesados. Se a ideia da nuvem de gás estiver correta, poderia explicar outro quebra-cabeça cósmico: como os buracos negros no início do universo ficaram tão grandes tão rápido. “Nós os observamos e eles já são enormes”, diz Bellovary. Se a história do universo fosse exibida em um relógio, esses monstros teriam apenas alguns segundos para se formar, ela explica.

Se grandes buracos negros em galáxias anãs são de fato relíquias antigas do início do universo, suas massas devem ser semelhantes às massas dos primeiros buracos negros. Se sim, eles poderiam ajudar a explicar como se formaram as sementes de alguns dos maiores buracos negros que vemos hoje.

De acordo com uma estimativa recente, o buraco negro em Henize 2-10 inclina a escala para alguns milhões de sóis ( SN: 11/09/21, p. 12 ). Esse é um ponto de dados a favor da ideia de colapso direto da nuvem, mas é apenas uma medida com muitas suposições. Por enquanto, medir as massas dos buracos negros não é uma tarefa fácil.

Buracos negros errantes podem oferecer pistas cósmicas

Felizmente, há outra maneira de obter uma pista sobre as massas dos primeiros buracos negros. Baseia-se fortemente em outro tipo de excêntrico – grandes buracos negros que não ficam exatamente no centro das galáxias anãs.

Quando Bellovary compartilhou suas simulações em 2011, a ideia de grandes buracos negros em galáxias esqueléticas não foi a única surpresa. Seu trabalho também previu que alguns Kammapas estariam fora de ordem de seus centros galácticos, vagando pelas bordas dos anões depois de não conseguir cair em seus núcleos.

“Eu sempre gosto de pensar sobre os outliers, ou os estranhos rejeitados, ou os inconformistas”, diz Bellovary. Ela optou por refazer suas simulações, ampliando as galáxias menores. Quando o fez, descobriu que metade dos enormes buracos negros nas galáxias anãs deveria estar fora do centro , relatou ela no início de 2019 no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Como se fosse uma deixa, Reines apareceu alguns meses depois com observações que reforçaram as simulações de Bellovary. Usando o Very Large Array de radiotelescópios no Novo México, Reines e seus colegas observaram as emissões provenientes de 111 galáxias anãs, 13 das quais provavelmente tinham grandes buracos negros. Desses 13 grandes buracos negros, alguns pareciam estar fora do centro dos núcleos de suas galáxias ( SN: 22/06/19, p. 12) .

Encontrar andarilhos era um jackpot. “Uma vez que um buraco negro começa a vagar, ele não cresce mais em massa”, diz Volonteri. Os errantes de menor massa devem corresponder aproximadamente à massa inicial dos primeiros buracos negros, tornando-os um bom substituto para as sementes que mais tarde se transformariam em buracos negros supermassivos.

Infelizmente, a massa dos andarilhos é ainda mais difícil de descobrir do que a massa dos Kammapas sentados nos núcleos de suas galáxias. Em vez disso, os pesquisadores estão se voltando para os números gerais desses andarilhos em busca de pistas. Se os primeiros buracos negros – as sementes dos buracos negros supermassivos de hoje – se formaram a partir do colapso direto de enormes nuvens de gás fluindo para as galáxias, então os errantes não deveriam ser muito comuns em galáxias anãs. Isso ocorre porque converter a massa de uma nuvem de gás em um buraco negro maciço é difícil e, portanto, espera-se que seja um fenômeno raro, explica Volonteri. Uma maneira mais fácil de formar os primeiros buracos negros – por meio da implosão das primeiras estrelas – resultaria em muito mais errantes.

Outro cenário possível que os cientistas estão considerando agora é se as fusões de estrelas primitivas ou buracos negros em densos núcleos de galáxias poderiam ter feito as sementes de buracos negros supermassivos. Esse processo também resultaria em muitos andarilhos. Mas esses buracos negros seriam um pouco mais massivos do que os buracos negros formados por implosões estelares.

Como os sinais de andarilhos continuam aparecendo, os pesquisadores estão se afastando da ideia de colapso direto. Mas, para realmente ter uma noção melhor de como os grandes buracos negros se formaram, os pesquisadores precisam fazer o censo dos buracos negros errantes não apenas no universo próximo, mas também mais para trás no tempo, diz Angelo Ricarte, do Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics em Cambridge, Massachusetts. Precisamos saber se o que está acontecendo agora é semelhante ao que aconteceu então, porque o ambiente no início do universo era muito diferente.

Os buracos negros desonestos são reais?

Galáxias massivas também parecem ter errantes, algumas que voam através de suas galáxias hospedeiras a 10 vezes a velocidade dos errantes em galáxias anãs.

Mas os cientistas não têm certeza se esses buracos negros desonestos são reais. Quando um apareceu em 2003 nas simulações de Volonteri, os cientistas o ignoraram. Os bandidos apareceram novamente nas simulações de Bellovary. A reação? Ceticismo. E esse ceticismo permaneceu mesmo quando os astrônomos anunciaram sinais brilhantes e chamativos de raios-X vindos de candidatos malandros.

Vários anos atrás, uma imagem do Telescópio Espacial Hubble e dados de outros observatórios ofereceram evidências de um buraco negro com massa de um bilhão de sóis sendo lançado para a borda de sua galáxia ( SN: 29/04/17, p. 16 ). E no início deste ano, imagens do Hubble e do Observatório Keck revelaram a possibilidade de um trio de buracos negros supermassivos interagindo, com um dado tanto impulso que foi ejetado para o espaço intergaláctico ( SN: 4/8/23, p. 11 ) . Mas uma equipe separada propõe que o que alguns cientistas estão chamando de buraco negro desonesto pode ser uma galáxia vista de lado.

Volonteri continua a rastrear cada candidato a rogue, junto com outros buracos negros excêntricos que os astrônomos apresentaram. Todos eles, de alguma forma, precisam se encaixar em nossa compreensão total da história dos buracos negros supermassivos, diz ela. E, mais uma vez, a frequência com que aparecem nas observações pode fornecer pistas para uma imagem mais completa.

Se as observações mostram que os vagabundos lentos são abundantes, então as colisões e fusões de buracos negros realmente grandes são presumivelmente raras. Os vagabundos lentos não interagiram com outros buracos negros e, portanto, não captaram zing extra em relação às estrelas ao seu redor. A história que o universo estaria nos contando é que os buracos negros supermassivos que vemos hoje não cresceram por meio de fusões repetidas, afinal. Mas, diz Volonteri, se há muitos buracos negros supermassivos sendo disparados dos centros de suas galáxias para as bordas distantes, as interações dos buracos negros, incluindo fusões, devem ser comuns.

Com algumas dezenas de candidatos excêntricos em galáxias anãs e apenas alguns candidatos desonestos distantes identificados, a imagem ainda não está clara. O que sabemos, explica Fan, é que entender a evolução cósmica requer um bom senso do nascimento e evolução do “setor escuro” das galáxias – incluindo os buracos negros.

Mais evidências observacionais de excêntricos ajudariam, e mais astrônomos se juntaram à busca. Em 2021, uma equipe incluindo Reines e Mallory Molina, da Universidade de Utah em Salt Lake City, relatou uma nova maneira de detectar sinais de buracos negros maciços em anões , especificamente se os gigantes estiverem se alimentando de gás e poeira. A técnica procura nos anões um brilho vermelho emitido por um tipo incomum de ferro. E uma equipe de Dartmouth relatou no ano passado que raios-X de energia muito alta também podem revelar gigantes obscuros .

Observatórios futuros também podem ajudar na caçada. O Observatório Vera C. Rubin, localizado no Chile e previsto para ser inaugurado no ano que vem, pode varrer os céus em busca de viajantes. E o Very Large Array de próxima geração, um observatório de rádio proposto, será sensível o suficiente para detectar sinais de buracos negros em galáxias anãs.

Com o objetivo de detectar colisões de buracos negros muito massivos, a Laser Interferometer Space Antenna, ou LISA, e o proposto Telescópio Einstein podem um dia oferecer pistas de quão comuns são e têm sido as interações cataclísmicas de buracos negros.

O tempo e as novas tecnologias dirão. Por enquanto, buracos negros excêntricos despertam nossa imaginação, levando-nos a fazer grandes perguntas e descobrir novas evidências na busca de uma compreensão mais profunda da história cósmica. A cada suposta descoberta, você não pode deixar de se perguntar: o que mais está escondido por aí? Talvez existam outras esquisitices ainda não descobertas que poderiam nos ligar ao universo mais antigo, diz Bellovary, e revelar nossas origens cósmicas. Mas apenas se estivermos dispostos a perseguir os desajustados e suas histórias.