Construindo os primeiros buracos negros supermassivos do Universo

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O jovem galáxia CR7, mostrada nesta impressão artística, pode hospedar um buraco negro de colapso direto.

Galáxias poderiam causar a formação de buracos negros em sua vizinhança?

Ao contrário de seus primos estelares de grande porte, que se formam após o colapso de uma estrela massiva, os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias são simplesmente demasiado grandes para resultar da morte de uma única estrela. Mesmo com a recente confirmação de um novo tipo de buraco negro – os buracos negros de massa intermediária – o mistério ainda não foi resolvido. Enquanto os astrônomos esperam ansiosamente novas observações com o lançamento do Telescópio Espacial James Webb, eles continuam a desenvolver teorias para explicar esses misteriosos objetos.

Buracos negros supermassivos (Supermassive Black Holes – SMBHs) inclinam a balança em centenas de milhares a bilhões de massas solares. Sgr A*, o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea, tem cerca de 4,5 milhões de vezes a massa do Sol. Acredita-se que a formação de tais SMBHs de “menor massa” (algumas milhões de massas solares) ocorrem após a formação de uma “semente” de buraco negro com cerca de 100 massas solares. Um buraco negro desse tamanho é viável após o colapso de uma estrela extremamente maciça. Com o tempo, essa semente acresce matéria e possivelmente até mesmo se funde com outras sementes próximas, construindo os buracos negros com a  massa de milhões de sóis que vemos hoje.

Mas os SMBHs que se alimentam de jovens quasares distantes no início do Universo não podem ser explicados desta maneira. Em um artigo publicado na edição de 13 de março de Nature Astronomy, John Regan, do Instituto Computacional de Cosmologia na Universidade de Durham, no Reino Unido e seus co-autores descrevem seu modelo para as circunstâncias do início do universo que poderiam levar à criação de buracos negros de colapso direto (direct-collapse black holes – DCBHs). Buracos negros de colapso direto são um único tipo de buraco negro que requer condições ambientais, essencialmente, perfeitas para se formarem – condições que só existem no início do universo.

Quasares são, na verdade, os discos de acreção ao redor de um buraco negro supermassivo; durante os primeiros anos de uma galáxia, um disco de acreção pode ficar tão grande que ofusca o resto da galáxia completamente, e os astrônomos identificam-lo como um quasar. O buraco negro no centro de um quasar tem milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol. Mas no universo jovem, simplesmente não teve tempo para acreção e fusões para criar um buraco negro supermassivo tão grande. Além disso, qualquer estrela de primeira geração grande o suficiente para formar um buraco negro de sementes de quasar teria ventos estelares extremamente poderosos, explodindo em gás e poeira em torno de si e sufocando sua capacidade de agregar a matéria rapidamente uma vez que o buraco negro é formado.

DCBHs poderiam ser o mecanismo responsável por ligar quasares distantes porque eles não requerem combustível ou tempo para crescer a partir de algo pequeno em algo grande. Em vez disso, eles se formam em grandes massas iniciais quando o gás no interior da galáxia cai diretamente em um buraco negro sem etapas intermediárias, daí o seu nome. Se o gás dentro de uma galáxia em formação é aquecido, mas não deixa-se arrefecer, e em seguida, é comprimido por um halo de matéria escura, as condições podem estar certas para formar um buraco negro de colapso direto. A ideia foi proposta pela primeira vez em 2003 por Volker Bromm e Avi Loeb e possíveis evidências para este tipo de buraco negro foram encontradas em 2016 com observações de uma galáxia chamada CR7.

Agora, Regan e seu grupo desenvolveram simulações para determinar se as interações entre protogaláxias vizinhas poderiam provocar a formação de DCBHs. Quando o gás é aquecido dentro de uma galáxia, que normalmente “arrefece” através de um de vários processos, sendo o mais comum deles a formação de estrela e a emissão de energia a partir de metais (em astronomia, nada mais pesado do que o hélio é chamado um “metal”, e é formado no interior do núcleo de uma estrela massiva). O truque para a criação de um DCBH é receber o gás e entrar em colapso, sem permitir que estes processos de resfriamento ocorram.

Após várias simulações, o grupo de Regan encontrou um “ponto doce”, em que o aquecimento da radiação de fundo associado com a aglomeração de galáxias, juntamente com uma estrela (um período muito rápido de formação estelar) numa protogaláxia nas proximidades, poderia conduzir à formação de um DCBH.

Existem várias condições que devem ser cumpridas. A formação de buracos negros é mais provável quando o par de galáxias é separado por uma distância entre 200 e 300 parsecs (650-1.000 anos-luz). Se as galáxias estão muito próximas, uma starburst (explosão estelar) poderia separar os átomos em moléculas de gás da galáxia ou simplesmente soprar o gás à distância. Uma starburst próxima também poderia “poluir” as suas companheiras nas galáxias vizinhas com metais fundidos por suas supernovas; os metais, então, arrefecem o gás e permitem que ele se fragmente em estrelas (em vez de formarem um DCBH). Mas se as galáxias estão muito distantes, elas simplesmente não interagem energeticamente ou rápido o suficiente para as explosões estelares influenciarem suas vizinhas.

Além disso, a escala de tempo do starburst deve “sincronizar” em estreita colaboração com a escala de tempo de formação de estrelas em protogaláxias vizinhas. Se a starburst acontece no momento errado, as galáxias vizinhas já terão começado a formar estrelas e as condições para uma DCBH não serão reunidas. O tempo ideal para uma estrela se ativar é de cerca de 4 milhões de anos, caso contrário, elas teriam começado a se formar em suas galáxias vizinhos. Mas se a starburst acontece com mais de 10 milhões de anos antes de formação de estrelas ter começado, ele não terá o efeito certo. Uma starburst que dura muito tempo irá afetar negativamente os seus vizinhos através de poluição por metais ou radiação excessivamente enérgica.

Os resultados dessas simulações tem o objetivo dar aos astrônomos evidências para saber o que procurar quando o James Webb finalmente ficar on-line. Regan e seus co-autores afirmam que observar pares próximos de protogaláxias jovens com o novo telescópio espacial poderia fornecer os dados necessários para provar o seu cenário de formação correta dos DCBHs.

Via: Astronomy Magazine

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Felipe Sérvulo
Graduado em Física pela UEPB. Mestre em física com ênfase em Cosmologia pela UFCG. Possui experiência na área de divulgação científica com ênfase em astronomia, astrofísica, etnoastronomia, astrobiologia, cosmologia, biologia evolutiva e história da ciência. Possui experiência na área de docência informática, física, química e matemática, com ênfase em desenvolvimento de websites e design gráfico. Artista plástico. Fundador do Projeto Mistérios do Universo, colaborador, editor, tradutor e colaborador da Sociedade Científica e do Universo Racionalista. Membro da Associação Paraibana de Astronomia. Pai, nerd, geek, colecionador, aficionado pela arte, pela astronomia e pelo Universo. Curriculum Lattes: http://lattes.cnpq.br/8938378819014229

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