Matéria escura pode ser responsável por enormes buracos negros no início dos tempos

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Impressão artística de um buraco negro supermassivo do início do Universo. Créditos: ESA / Hubble / NASA / M. Kornmesser.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

À medida que ganhamos maior capacidade de vasculhar cada vez mais fundo no Universo, descobrimos algo muito surpreendente: buracos negros supermassivos milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, antes que o Universo tivesse até mesmo 10 por cento de sua idade atual.

Este é um verdadeiro enigma cosmológico. Dado o que sabemos sobre a taxa de crescimento dos buracos negros, não deveria ter havido tempo suficiente desde o Big Bang para que eles crescessem tanto. Mas sua presença é inegável – então, algo estranho deve estar acontecendo.

De acordo com uma nova pesquisa, esse algo pode ser uma das coisas mais estranhas do Universo: matéria escura.

“Podemos pensar em duas razões [pelas quais os primeiros buracos negros do Universo são tão massivos]”, disse o físico e astrônomo Hai-Bo Yu, da Universidade da Califórnia em Riverside.

“A semente do buraco negro – ou o buraco negro ‘bebê’ – ou é muito mais massiva, ou cresce muito mais rápido do que pensávamos, ou ambos. A questão que, então, surge é quais são os mecanismos físicos para produzir uma semente de um buraco negro massivo o suficiente ou alcançar uma taxa de crescimento rápida o suficiente?”

A matéria escura é um dos maiores mistérios do Universo. Não sabemos o que é ou do que é feita. A única maneira pela qual ela interage com a matéria bariônica normal no Universo – essa é a matéria de que todas as coisas que podemos ver são feitas – é gravitacionalmente.

Por interagir gravitacionalmente, podemos observar efeitos gravitacionais no Universo, como a rotação das galáxias e a forma como a luz se curva ao longo de um forte campo gravitacional, e subtrair o efeito gravitacional da matéria normal para determinar o conteúdo de matéria escura. E há muito dela. Estima-se que 85% de toda a matéria do Universo seja matéria escura.

A maioria das galáxias reside em um halo de matéria escura; é considerado vital para sua formação. Um modelo para a formação de buracos negros supermassivos é o colapso direto de uma nuvem densa de gás. Yu e seus colegas se perguntaram se poderia haver outra contribuição.

“Este mecanismo… não pode produzir uma semente de buraco negro massiva o suficiente para acomodar buracos negros supermassivos recentemente observados – a menos que a semente do buraco negro experimente uma taxa de crescimento extremamente rápida”, disse Yu.

“Nosso trabalho fornece uma explicação alternativa: um halo de matéria escura autointeragente experimenta instabilidade gravotérmica e sua região central colapsa em uma semente de buraco negro”.

Pelo que podemos dizer até agora, a matéria escura interage apenas com a matéria bariônica gravitacionalmente, mas pode ser capaz de interagir com ela mesma.

O cenário da equipe começa com a formação de um halo de matéria escura, reunindo-se gravitacionalmente no início do Universo. A atração interna da gravidade competiria com a atração externa do calor e da pressão; para a matéria escura não autointeragente, as partículas que se condensam em direção ao centro do halo acelerariam sob a gravidade crescente e recuariam sob a pressão mais alta, pois seriam incapazes de transferir sua energia para outras partículas.

Partículas de matéria escura autointeragentes, no entanto, seriam capazes de transferir energia para outras partículas, introduzindo atrito no fluido de matéria escura em rotação. Isso faria com que as partículas ficassem mais lentas, reduzindo o momento angular e encolhendo o halo central de modo que, eventualmente, ele entraria em colapso sob sua própria massa para formar a semente de um buraco negro.

A partir deste ponto, a semente pode crescer por acréscimo de matéria bariônica, disseram os pesquisadores. E, embora a ‘semente’ de matéria escura possa ter uma massa alta o suficiente para permitir que o buraco negro cresça rapidamente, ambas as formas de matéria são necessárias.

“Em muitas galáxias, estrelas e gás dominam suas regiões centrais”, explicou Yu.

“Assim, é natural perguntar como a presença dessa matéria bariônica afeta o processo de colapso. Mostramos que vai acelerar o início do colapso. Esse recurso é exatamente o que precisamos para explicar a origem dos buracos negros supermassivos no início do Universo. As autointerações também levam à viscosidade que pode dissipar o momento angular do halo central e ajudar ainda mais no processo de colapso”.

A equipe espera que instrumentos futuros, ainda mais sensíveis, sejam capazes de localizar as primeiras galáxias do Universo com uma gama de brilho fora da capacidade de nossos telescópios atuais.

Isso deve ser capaz de ajudar a validar seu modelo, um resultado que não apenas nos ajudaria a resolver o problema dos buracos negros supermassivos do início do Universo, mas a natureza misteriosa da matéria escura.

A pesquisa foi publicada no The Astrophysical Journal Letters.