Um mistério de longa data sobre os primeiros buracos negros supermassivos pode finalmente ter sido resolvido

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Imagens da simulação mostrando o gás no início do colapso catastrófico. (Créditos: Latif et al., Nature, 2022)

Traduzido por Julio Batista
Original de Michelle Starr para o ScienceAlert

Ao longo dos últimos anos, à medida que fomos capazes de olhar cada vez mais fundo no Universo primitivo, os astrônomos descobriram algo extremamente intrigante.

Antes que o Universo tivesse um bilhão de anos, buracos negros gigantes com mais de um bilhão de vezes a massa do Sol já haviam se formado de alguma forma. Dado o que sabemos sobre a formação e o crescimento de buracos negros, a presença e o tamanho desses gigantes são extremamente difíceis de explicar. Como eles chegaram lá, tão logo após o Big Bang? E como eles ficaram tão grandes?

Agora, simulações de supercomputadores revelaram uma origem que explica como eles se formaram sem a necessidade de condições exóticas: reservatórios raros de gás frio turbulento que colapsaram em estrelas mais massivas do que qualquer coisa no Universo hoje. Estas teriam sido as enormes sementes que cresceram em buracos negros supermassivos.

“Encontramos buracos negros supermassivos nos centros da maioria das galáxias massivas hoje, que podem ter milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol. Mas em 2003 começamos a encontrar quasares – buracos negros supermassivos altamente luminosos e de acreção ativa que são como faróis cósmicos no início do universo – que existiam menos de um bilhão de anos após o Big Bang”, disse o cosmólogo Daniel Whalen, da Universidade de Portsmouth, no Reino Unido.

“Ninguém entendia como eles se formaram em tempos tão antigos. Esta descoberta é particularmente emocionante porque tomou conta de 20 anos de pensamento sobre a origem dos primeiros buracos negros supermassivos no Universo.”

Existem duas escolas principais de pensamento sobre como os buracos negros supermassivos se formam. O primeiro é o modelo de baixo para cima. Uma única estrela massiva morre, geralmente deixando para trás um buraco negro com cerca de 100 vezes a massa do Sol.

Com o tempo – muito e muito tempo – o buraco negro suga um monte de material, crescendo cada vez mais até atingir milhões a bilhões de vezes a massa do Sol. Isso é extremamente difícil de conciliar com os quasares no início do Universo.

A outra opção é se você começar com uma ‘semente’ de buraco negro realmente grande, até 100.000 vezes a massa do Sol. As estrelas que colapsaram para formar esses buracos negros teriam vidas cósmicas muito, muito curtas, talvez 250.000 anos, antes de entrarem em colapso em um buraco negro.

Não há estrelas conhecidas dessa massa por aí hoje, e não conhecemos nenhum mecanismo de formação atual que possa produzi-las. Mas simulações mostraram que no início do Universo, quando as condições eram bastante diferentes das condições atuais, teoricamente tais estrelas poderiam ter se formado nas junções de correntes raras, mas poderosas, de gás frio, denso e turbulento.

Os cosmólogos pensaram que seriam necessárias algumas condições verdadeiramente exóticas, fundamentadas em forte radiação ultravioleta ou fluxos supersônicos entre gás e matéria escura. E nenhuma dessas condições exóticas se assemelhava aos ambientes em que esses primeiros quasares do Universo foram encontrados.

Liderados pelo astrofísico Muhammad Latif, da Universidade dos Emirados Árabes Unidos, os pesquisadores realizaram simulações dos fluxos de gás e ficaram encantados ao descobrir que buracos negros supermassivos se formaram nas interseções desses fluxos espontaneamente, sem a necessidade de condições exóticas.

Na simulação, a turbulência gerada pelos fluxos que se cruzam impede a formação de estrelas normais, como as que vemos hoje. Normalmente, isso acontece quando um denso nó de material em uma nuvem fria colapsa sob a gravidade para formar uma estrela bebê, mas quando há muita turbulência, as condições não são estáveis ​​o suficiente para que isso ocorra.

No entanto, eventualmente a nuvem na simulação cresceu tão grande que colapsou catastroficamente em duas estrelas gigantes, com 31.000 e 40.000 vezes a massa do Sol.

À medida que o gás das correntes continua a alimentar as nuvens, um buraco negro supermassivo com bilhões de vezes a massa do Sol pode se formar e crescer em apenas algumas centenas de milhões de anos.

“Consequentemente, as únicas nuvens primordiais que poderiam formar um quasar logo após o alvorecer cósmico – quando as primeiras estrelas do Universo se formaram – também criaram convenientemente suas próprias sementes massivas. Este resultado simples e bonito não apenas explica a origem dos primeiros quasares, mas também seus dados demográficos – seus números nos primeiros tempos”, concluiu Whalen.

“Os primeiros buracos negros supermassivos foram simplesmente uma consequência natural da formação de estruturas em cosmologias de matéria escura fria – filhos da teia cósmica.”

A pesquisa foi publicada na Nature.