Uma galáxia brilhante no início do universo provavelmente contém um tipo misterioso de buraco negro que existia anteriormente apenas em teoria, segundo um novo estudo.
Nuvens primordiais de gás e poeira podem ter entrado em colapso para formar uma grande estrela única, que rapidamente se tornou a semente para um buraco negro supermassivo. A imagem baseada em uma simulação de computador, o gás flui ao longo de filamentos de matéria escura. As primeiras galáxias se formaram na intersecção de tais filamentos. Crédito: Aaron Smith / TACC / UT-Austin
Este provável “colapso direto” de buraco negro pode ajudar a explicar como os buracos negros supermassivos – os gigantes de luz devoradores que se escondem nos corações da maioria, se não todas, as galáxias – tem seu início, disseram os pesquisadores.
“O aspecto especial deste processo [colapso direto] é que leva à formação de uma “semente” de buraco negro de grande massa”, disse o co-autor do estudo Avi Loeb, presidente do departamento de astronomia da Universidade de Harvard. “É difícil fazer um buraco negro tão gigante ao longo de um curto período de tempo uma vez que eles começam a partir de sementes de baixa massa.”
Morte por gula
Quando uma estrela maciça chega ao fim da sua vida útil, ela pode entrar em colapso para dentro de si mesma para formar um buraco negro. Estes objetos densos depois crescem, alimentando-se com gás e poeira, mas o processo pode levar tempo.
Na verdade, provavelmente leva um bom tempo para uma pequena semente crescer em um buraco negro supermassivo, que pode conter milhares de milhões de vezes mais massa do que o Sol, dizem cientistas. Isto coloca um quebra-cabeça: De onde vem, então, os buracos negros supermassivos no universo primordial?
Alguns desses monstros existiam apenas 750 milhões de anos depois do Big Bang que criou o universo, disse Loeb. (Os cientistas sabem disso porque eles têm marcado quasares – núcleos galácticos incrivelmente brilhantes alimentados por buracos negros supermassivos)
“É difícil fazer um buraco negro tão gigante ao longo de um curto período de tempo se eles começam a partir de sementes de baixa massa”, disse Loeb.
Em 2003, Loeb e Volker Bromm da Universidade do Texas em Austin (UT Austin) – também um co-autor do novo estudo – teorizou que nuvens de poeira e gás no início do universo eram tão quentes que elas não conseguiram fragmentar-se em múltiplas aglomerações de milhares de estrelas. Em vez disso, essas nuvens provavelmente criaram apenas uma única estrela massiva no centro, cerca de 1 milhão de vezes maior do que estrelas “normais”, disse Loeb.
Tais estrelas gigantescas rapidamente consomem todo o gás e poeira nas proximidades. Excessos levariam a uma morte rápida; estas estrelas durariam apenas alguns milhões de anos antes de cair em buracos negros de médio porte que poderiam continuar a alimentar-se, em última análise, crescendo para os gigantes que se encontram nos centros de galáxias.
Para ficar tão superquentes, o gás no centro deste processo teria de ser quase puramente feito de hidrogênio e hélio, sem elementos “mais pesados” para ajudar a esfriar. Uma vez que elementos pesados são produzidos nos corações das estrelas e em seguida liberados durante uma supernova, tais “colapsos diretos de buracos negros” só poderiam se formar no início do universo, disseram os pesquisadores.
Mas não havia muita evidência para esta ideia – até agora.
De previsão para a realidade
No ano passado, os astrônomos avistaram um sinal estranho de uma galáxia conhecida como CR7, um dos objetos mais luminosos do universo primordial. Embora a galáxia mostrasse sinais de temperaturas superiores a 180.000 graus Fahrenheit (100.000 graus Celsius) e assinaturas de átomos de hélio ganham e perdem elétrons – um processo conhecido como ionização – não havia sinais de outros elementos.
“Isso faz com que a galáxia que nós achamos realmente únicas, preencha todos os requisitos para previsões para ambas as estrelas de primeira geração ou um buraco negro que colapsou diretamente”, disse David Sobral, um astrofísico da Universidade de Lisboa, em Portugal, disse Espaço. com.
Sobral levou a equipe de astrônomos que identificou irregularidades na CR7 ano passado e outras galáxias semelhantes mais recentemente. Em seu artigo, eles argumentaram que, embora CR7 pudesse conter um buraco negro de colapso direto, o sinal incomum favoreceu um conjunto de primeiras estrelas do universo.
“Independentemente disso, o material real – gás primordial – para fazer tanto estrelas de primeira geração ou um colapso direto de buraco negro é essencialmente o mesmo, e é extremamente excitante para finalmente começar a fazer perguntas físicas reais sobre a natureza das primeiras galáxias, “disse Sobral. “Isto vai muito além da abordagem tradicional de simplesmente contar galáxias distantes.”
Sobral e outros cientistas vão continuar a observar CR7, com instrumentos como o Telescópio Espacial Hubble e o Large Millimeter Array / submillimeter Atacama, no Chile. Mas outras equipes de pesquisa estão investigando a origem e evolução de galáxias através de modelagem por computador dentre outros trabalhos.
Fabio Pacucci, um Ph.D. estudante na Scuola Normale Superiore na Itália, foi parte de uma equipe, cuja pesquisa defendeu a teoria de buraco negro em um artigo no ano passado. Mas as observações da CR7 por esses pesquisadores não foram definitivas.
“Infelizmente, não vemos qualquer emissão de raios-X a partir desta fonte, o que seria uma prova clara para dizer que é um buraco negro”, disse Pacucci.
É aí que Loeb e Volker entram. Eles são membros de outra equipe de pesquisa, liderada por Aaron Smith, da UT Austin, que procurou resolver o mistério.
Smith e seus colegas desenvolveram o que Smith chamou de “Um Código de Romance” para simular tanto o buraco negro e os cenários de primeira estrela usando um supercomputador em UT Austin. O cenário estelar “espetacularmente falhou”, disse Smith, em um comunicado, enquanto o modelo de colapso direto se sustentou.
“A prova [para um buraco negro] é conclusiva”, disse Loeb.
Depois de prever a existência de buracos negros de colapso direto mais de uma década atrás, Loeb está animado para vê-los confirmado por observações.
“É bom para chegar a uma ideia sobre como a natureza pode funcionar, mas é divertido descobrir que a natureza realmente se comporta da maneira que você pensa que ele faz“, disse Loeb. “A experiência é tão gratificante como ter o amor de uma pessoa que você ama correspondido.”
Smith e seus colegas publicaram seus resultados na semana passada na revista Monthly Notices da Royal Astronomical Society.
Traduzido e adaptado de Space.com