• Começa Com Um Estrondo

O grupo local poderia ajudar a resolver o mistério dos buracos negros supermassivos?

Telescópio espacial Hubble dos aglomerados de estrelas em fusão no coração da Nebulosa da Tarântula, a maior região de formação de estrelas conhecida no grupo local. As estrelas mais quentes e azuis têm mais de 200 vezes a massa do nosso Sol, e muitas dessas estrelas formarão buracos negros. Este aglomerado de estrelas pode conter pistas para os buracos negros de sementes que podem ter se formado no início do Universo. (NASA, ESA E E. SABBI (ESA/STSCI); AGRADECIMENTOS: R. O'CONNELL (UNIVERSIDADE DA VIRGÍNIA) E O COMITÊ DE SUPERVISÃO CIENTÍFICA DA CÂMERA 3 DE CAMPO LARGO)

As estrelas próximas mais massivas podem ser as sementes que nossos buracos negros supermassivos precisam.

O problema com o Universo, como o vemos hoje, é que só temos um instantâneo de como as coisas estão agora. Perto dali, os objetos que vemos estão bem evoluídos, como os vemos 13,8 bilhões de anos após o Big Bang. Longe, no entanto, pode levar milhões, bilhões ou até mais de dez bilhões de anos para que a luz emitida chegue aos nossos olhos, o que significa que estamos olhando para trás no tempo. Parte do problema em reconstruir o crescimento e a evolução do Universo – enquanto tentamos responder à pergunta de como as coisas chegaram a ser como são hoje? – é que só temos este instante em que podemos observar o Universo.

Um dos grandes quebra-cabeças do nosso Universo é como os buracos negros supermassivos, os gigantes ultramassivos nos centros das galáxias e quasares, cresceram tão rapidamente. Claro, a Via Láctea tem buracos negros supermassivos com 4 milhões de massas solares, mas teve 13,8 bilhões de anos para fazê-lo. Outras galáxias têm buracos negros supermassivos que chegam a bilhões ou mesmo dezenas de bilhões de massas solares. Mas o que é uma surpresa é que as galáxias com menos de um bilhão de anos ainda têm buracos negros que são comparativamente grandes. Surpreendentemente, o grupo mais massivo de estrelas próximas pode lançar alguma luz sobre a solução desse mistério. Aqui está como.

As regiões superdensas do Universo primitivo crescem e crescem ao longo do tempo, mas são limitadas em seu crescimento tanto pelos pequenos tamanhos iniciais das superdensidades quanto pela presença de radiação que ainda é energética, o que impede que a estrutura cresça mais rapidamente. Leva dezenas a centenas de milhões de anos para formar as primeiras estrelas; aglomerados de matéria existem muito antes disso, no entanto. (AARON SMITH/TACC/UT-AUSTIN)

Se você deseja aumentar rapidamente um buraco negro para tamanhos muito grandes, basicamente você tem três opções.

1. Você começa o Universo com buracos negros sementes antes mesmo de obter estrelas, e elas crescem com o Universo.
2. Você forma buracos negros das primeiras gerações de estrelas, e então esses buracos negros sementes crescem para serem os que vemos mais tarde.
3. Ou você forma buracos negros das primeiras gerações de estrelas, eles se fundem em um processo rápido para criar sementes maiores, e então esses buracos negros crescem para serem os que vemos mais tarde.

O primeiro cenário é possível, mas não deve ser nossa posição padrão. As flutuações que aparecem no fundo cósmico de micro-ondas – por isso são muito robustas em termos de observação – nos dizem como era o Universo muito cedo. Em média, o Universo tinha a mesma densidade em todos os lugares, com pequenas imperfeições em cima. Algumas regiões são superdensas e outras subdensas, afastando-se da densidade média em cerca de 0,003%, em média. Esses desvios são quase os mesmos em todas as escalas, com flutuações em escalas cósmicas maiores sendo de magnitude ligeiramente maior (por alguns por cento, apenas) do que flutuações em escalas menores.

As flutuações na radiação cósmica de fundo em micro-ondas, medidas pelo COBE (em grandes escalas), WMAP (em escalas intermediárias) e Planck (em pequenas escalas), são todas consistentes não apenas com o surgimento de um conjunto invariante de escala de flutuações quânticas, mas de serem tão baixas em magnitude que não poderiam ter surgido de um estado arbitrariamente quente e denso. A linha horizontal representa o espectro inicial de flutuações (da inflação), enquanto a linha ondulada representa como a gravidade e as interações radiação/matéria moldaram o Universo em expansão nos estágios iniciais. O CMB possui algumas das evidências mais fortes que apoiam tanto a matéria escura quanto a inflação cósmica. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Mas se você quiser ser superdenso o suficiente para desmoronar em um buraco negro antes mesmo de formar estrelas - alcançando um cenário conhecido como buracos negros primordiais — você precisa atingir uma densidade cerca de 68% maior que a densidade média. Claramente, há uma grande diferença entre 0,003% e 68%; uma diferença suficiente para que, se quisermos invocar a existência desses buracos negros primordiais, precisamos de uma nova física. Isso não é necessariamente um problema, pois pode haver nova física por aí, mas é importante considerar seriamente a hipótese nula: que podemos explicar o Universo que temos sem recorrer a algo novo.

Então vamos tentar isso. O Universo nasce com regiões subdensas e superdensas, e depois disso ele se expande, esfria e gravita. Regiões superdensas atraem cada vez mais matéria para elas, fazendo com que cresçam. No início, a maior parte da energia do Universo está na radiação, não na matéria, e assim a pressão da radiação aumenta, empurrando as regiões de matéria em crescimento. Como resultado, temos saltos, ou oscilações, à medida que a matéria colapsa, a radiação empurra para trás, fazendo com que a matéria vá para fora, e o ciclo continua.

As observações em maior escala no Universo, desde o fundo cósmico em micro-ondas até a teia cósmica, aglomerados de galáxias e galáxias individuais, todas requerem uma combinação de fótons, matéria normal e matéria escura para explicar o que observamos. A estrutura em grande escala requer esses ingredientes, mas as sementes dessa estrutura, do Fundo Cósmico de Microondas, também os exigem. (CHRIS BLAKE E SAM MOORFIELD)

No entanto, quando consideramos toda a física, descobrimos que as maiores superdensidades ocorrem onde o salto atinge um pico, o que acontece apenas em escalas angulares específicas. Essas características no fundo cósmico de micro-ondas, conhecidas como picos acústicos, também aparecem na estrutura em grande escala do Universo que existe nos últimos tempos: uma grande dica de que nossa imagem do Universo está no caminho certo. Uma vez que o Universo forma átomos neutros, essa radiação se torna insignificante e o colapso gravitacional pode ocorrer rapidamente.

Você pode pensar, oh, o gás vai entrar em colapso e formar estrelas, assim como eles fazem hoje, mas isso não está certo. Hoje, a forma como formamos estrelas é através do colapso de nuvens de gás, com certeza, mas para formar estrelas, esse gás em colapso precisa esfriar. Este é um grande problema: há muita energia potencial que será convertida em energia cinética (ou térmica/calor) quando se contrair, e para colapsar em um objeto como uma proto-estrela, você precisa irradiar o suficiente de esse calor embora. No Universo primitivo, isso é um problema.

A Nebulosa Baby Eagle, LBN 777, parece ser uma região cinza e empoeirada no espaço. Mas a poeira em si não é de cor cinza, mas preferencialmente absorve luz azul, em vez de vermelha, sendo feita de partículas de poeira físicas reais. Esse gás deve entrar em colapso, irradiando grandes quantidades de calor no processo, se algum dia for formar novas estrelas. (DAVID DVALI / WIKIPÉDIA INGLESA)

Hoje, cerca de 1 a 2% de todo o material (em massa) em uma nuvem de gás em colapso é conhecido pelos astrônomos como metais, o que significa elementos mais altos na tabela periódica do que hidrogênio e hélio. Esses metais – como oxigênio, carbono, enxofre e outros átomos que apenas um astrônomo consideraria um metal – são radiadores de calor muito mais eficientes do que hidrogênio ou hélio. Como resultado, a massa média de uma nova estrela, hoje, é cerca de 40% da massa do Sol. Ainda haverá estrelas massivas que se formam: de dezenas ou até cerca de 300 massas solares, mas esse é o limite prático.

Mas no início, havia apenas hidrogênio e hélio. A maneira mais eficiente (que eu conheço) de irradiar calor para longe desses componentes é a pequena quantidade de gás hidrogênio molecular (H2) que se formará, mas mesmo com o gás hidrogênio presente, você não formará estrelas como fazemos hoje. O que você precisará, em vez disso, são nuvens de gás muito maiores: cerca de 100 vezes mais massivas do que as nuvens que normalmente formam estrelas hoje. E quando você formar estrelas, elas não serão como as que temos hoje. Em vez disso, eles serão:

• cerca de 10 massas solares em média, ou cerca de 1000% da massa do Sol,
• com as estrelas mais massivas atingindo facilmente as centenas e possivelmente até os baixos milhares de massas solares,
• significando que uma fração significativa dessas estrelas pode não apenas formar buracos negros, mas pode fazê-lo imediatamente: através um processo conhecido como colapso direto .

As fotos visíveis/próximas do IR do Hubble mostram uma estrela massiva, com cerca de 25 vezes a massa do Sol, que desapareceu, sem supernova ou outra explicação. O colapso direto é a única explicação razoável candidata. (NASA/ESA/C. KOCHANEK (OSU))

Testemunhamos estrelas massivas em nosso universo moderno simplesmente desaparecerem, como se de repente desaparecessem. No entanto, o desaparecimento não é realmente uma opção física para o que está acontecendo; a única opção real é que os núcleos dessas estrelas de repente não conseguiram resistir ao colapso gravitacional. Enquanto a maioria das estrelas massivas que conhecemos se transformarão em supernovas, onde seus núcleos colapsam, implodem, ricocheteiam e desencadeiam uma série de reações de fusão descontroladas, levando a uma estrela destruída (através de algo como o mecanismo de instabilidade de pares ), uma estrela de nêutrons, ou um buraco negro como remanescente, todos esses eventos levam a um tremendo evento de brilho junto com eles.

O que vemos, no entanto, não é nenhuma das opções acima. Não há nenhum evento de brilho associado a essas estrelas que desaparecem. Em vez disso, eles devem estar passando por outro processo: colapso direto para um buraco negro. Esperamos que o colapso direto ocorra em uma fração de estrelas, dependendo de sua massa, sua metalicidade (fração de metais em comparação com hidrogênio e hélio) e alguns outros fatores relacionados à sua evolução durante suas vidas. Em outras palavras, uma fração dessas primeiras estrelas – como suas contrapartes modernas e menos massivas (em média) – entrará em colapso diretamente para formar buracos negros.

Tipos de supernovas em função da massa inicial da estrela e do conteúdo inicial de elementos mais pesados ​​que o hélio (metalicidade). Observe que as primeiras estrelas ocupam a linha inferior do gráfico, sendo livres de metal, e que as áreas pretas correspondem a buracos negros de colapso direto. Para as estrelas modernas, não temos certeza se as supernovas que criam estrelas de nêutrons são fundamentalmente iguais ou diferentes daquelas que criam buracos negros, e se existe uma “lacuna de massa” presente entre elas na natureza. Mas os novos dados do LIGO com certeza apontam para uma resolução. (FULVIO314 / WIKIMEDIA COMMONS)

Então, finalmente, chegamos ao segundo cenário para fazer buracos negros supermassivos: se um desses buracos negros se tornar um buraco negro semente, que se transformará em um buraco negro supermassivo, podemos obter um buraco negro massivo o suficiente com o tempo ?

A resposta parece ser não. Os buracos negros de sementes mais massivos que podemos fazer através desse mecanismo podem ter alguns milhares de massas solares, e isso não é suficiente. Mesmo se aumentarmos esse número para 10.000 massas solares, exigimos que esses buracos negros se formassem durante a primeira grande onda esperada de formação de estrelas no Universo (cerca de 180 milhões de anos após o Big Bang), e então permitimos que esses buracos negros crescessem na taxa máxima fisicamente possível - em o limite de Eddington – até observá-los como quasares algumas centenas de milhões de anos depois, eles simplesmente não ficam grandes o suficiente rápido o suficiente.

Em janeiro de 2021, astrônomos anunciaram a descoberta do maior e mais antigo buraco negro de todos os tempos: 1,6 bilhão de massas solares de quando o Universo tinha apenas 670 milhões de anos, ou apenas 5% de sua idade atual. Mesmo se ultrapassarmos os limites de todos esses fatores, simplesmente não podemos cultivar um buraco negro de sementes tão grande tão rapidamente.

Se você começar com um buraco negro inicial, semente, quando o Universo tinha apenas 100 milhões de anos, há um limite para a taxa em que ele pode crescer: o limite de Eddington. Ou esses buracos negros começam maiores do que nossas teorias esperam, se formam mais cedo do que percebemos, ou crescem mais rápido do que nossa compreensão atual permite atingir os valores de massa que observamos. (FEIGE WANG, DE AAS237)

Mas aqui é onde o Universo tardio pode nos ajudar. Se olharmos ao redor em nossa vizinhança local, a maior região de formação de estrelas que temos está localizada na Nebulosa da Tarântula. Não é encontrado na Via Láctea, nem em nossa vizinha maior, Andrômeda, mas em uma galáxia menor localizada a 165.000 anos-luz de distância: a Grande Nuvem de Magalhães. Atualmente está sendo gravitacionalmente influenciada por nossa Via Láctea, e a força gravitacional de nossa galáxia está provocando o colapso do gás dentro dela, onde já criou a maior região de formação de estrelas dentro do nosso Grupo Local: 30 Doradus .

Existem literalmente milhares de novas estrelas que já se formaram nesta região e, em particular, há um enorme aglomerado central cheio de estrelas supermassivas no interior. O aglomerado estelar central desta região, NGC 2070 , contém dezenas de estrelas com mais de 50 massas solares, cerca de 10 estrelas com 100 massas solares ou mais, e seu componente central, o aglomerado R136 , contém indiscutivelmente a estrela mais massiva ou a segunda mais massiva conhecida, R136a1 , que vem entre 215 e 260 massas solares.

O aglomerado RMC 136 (R136) na Nebulosa da Tarântula na Grande Nuvem de Magalhães, é o lar das estrelas mais massivas conhecidas. R136a1, o maior de todos, tem mais de 250 vezes a massa do Sol. Embora os telescópios profissionais sejam ideais para revelar detalhes de alta resolução, como essas estrelas na Nebulosa da Tarântula, as visões de campo amplo são melhores com os tipos de tempos de exposição longa disponíveis apenas para amadores. (OBSERVATÓRIO EUROPEU DO SUL/P. CROWTHER/C.J. EVANS)

Um dos temas mais controversos da pesquisa astronômica nesta região é exatamente qual a densidade de massa central da região mais densa em um cluster como este é. No mais interno ~ 1 ano-luz, por exemplo, sabemos que deve haver pelo menos milhares de massas solares lá, pelo menos milhares de estrelas, e que a densidade central pode ser tão alta quanto ~ 1 milhão de massas solares por luz cúbica -ano no pico absoluto.

Agora, aqui está a parte divertida: desde a descoberta das ondas gravitacionais, aprendemos que quando você cria buracos negros, eles eventualmente se inspiram e se fundem. Se eles se aproximarem mais do que cerca de 0,01 ano-luz um do outro, eles se inspirarão e se fundirão em menos tempo do que a idade atual do Universo. E se você tiver matéria suficiente – gás, poeira, plasma, etc. – na região intermediária, eles podem não apenas alimentar esses buracos negros, mas também atuar como uma força de arrasto efetiva, reduzindo a distância entre eles.

Isso é um aumento de massa suficiente, nos primeiros tempos, para resolver o mistério de como os buracos negros supermassivos ficaram tão grandes tão rápido? Talvez. Mas é o maior teste para a hipótese nula: se pudermos fazer esses objetos sem invocar nenhuma nova física, essa seria a solução mais parcimoniosa para esse quebra-cabeça de longa data.

Impressão artística do quasar J0313–1806 mostrando o buraco negro supermassivo e o vento de velocidade extremamente alta. O quasar, visto apenas 670 milhões de anos após o Big Bang, é 1.000 vezes mais luminoso que a Via Láctea e é alimentado pelo mais antigo buraco negro supermassivo conhecido, que pesa mais de 1,6 bilhão de vezes a massa do Sol. (NOIRLAB/NSF/AURA/J. DA SILVA)

Há um quebra-cabeça em nosso Universo que exige uma explicação. Nos quasares mais jovens e mais antigos que vemos, encontramos evidências não apenas de buracos negros supermassivos, mas de buracos negros supermassivos extremamente massivos em tempos extremamente antigos. O mais antigo e massivo tem apenas 670 milhões de anos, mas já tem 1,6 bilhão de massas solares. Mesmo se pegarmos a estrela mais massiva e mais antiga que poderíamos ter formado, transformá-la em um buraco negro imediatamente e deixá-la crescer na taxa máxima possível, ela simplesmente não tem tempo suficiente para ficar tão grande.

Mas a maneira como os aglomerados de estrelas reais funcionam, com densidades centrais enormes e pontiagudas, pode nos dar uma pista para a resolução desse quebra-cabeça. Um grande número de estrelas massivas – muitas das quais podem se tornar buracos negros em pouco tempo – pode permitir que a primeira geração de estrelas forme rapidamente um grande buraco negro de sementes a partir da fusão de vários desses objetos. Com um buraco negro inicial de um milhão de massas solares, mesmo que demorasse ~300 milhões de anos para se formar, poderíamos facilmente obter buracos negros das massas que observamos algumas centenas de milhões de anos depois.

Poderia ser esta a resolução de como os buracos negros ficam tão grandes tão rápido? Nesse caso, é algo que o Telescópio Espacial James Webb pode revelar. E se assim for, será uma tremenda vitória para a astrofísica como a conhecemos hoje. Talvez não precisemos invocar uma nova física para explicar esse mistério, afinal.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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