Buracos negros de 'colapso direto' podem explicar os misteriosos quasares do nosso universo

O jato de raios X mais distante do Universo, do quasar GB 1428, tem aproximadamente a mesma distância e idade, visto da Terra, do quasar S5 0014+81; ambos estão a mais de 12 bilhões de anos-luz de distância. Crédito da imagem: Raio X: NASA/CXC/NRC/C. Cheung et al; Óptico: NASA/STScI; Rádio: NSF/NRAO/VLA .



Como os buracos negros ficaram tão supermassivos tão rápido? A astrofísica pode estar prestes a descobrir, graças a três grandes descobertas de 2017.


Há um grande problema quando olhamos para os objetos mais brilhantes e energéticos que podemos ver nos estágios iniciais do Universo. Logo após a formação das primeiras estrelas e galáxias, encontramos os primeiros quasares: fontes extremamente luminosas de radiação que abrangem o espectro eletromagnético, desde o rádio até os raios X. Apenas um buraco negro supermassivo poderia servir como motor para um desses gigantes cósmicos, e o estudo de objetos ativos como quasares, blazares e AGNs apoiam essa ideia. Mas há um problema: pode não ser possível fazer um buraco negro tão grande, tão rapidamente, para explicar esses jovens quasares que vemos. A menos que haja uma nova maneira de fazer buracos negros além do que pensávamos anteriormente. Este ano, encontramos a primeira evidência de um buraco negro de colapso direto , e isso pode levar à solução que procuramos há tanto tempo.



Embora galáxias hospedeiras distantes para quasares e núcleos galácticos ativos possam ser frequentemente fotografadas em luz visível/infravermelha, os próprios jatos e a emissão circundante são melhor visualizados tanto no raio-X quanto no rádio, conforme ilustrado aqui para a galáxia Hércules A. é preciso um buraco negro para alimentar um motor como este. Crédito da imagem: NASA, ESA, S. Baum e C. O'Dea (RIT), R. Perley e W. Cotton (NRAO/AUI/NSF) e Hubble Heritage Team (STScI/AURA).



Genericamente conhecidas como “galáxias ativas”, quase todas as galáxias possuem buracos negros supermassivos em seu centro, mas apenas algumas emitem a intensa radiação associada a quasares ou AGNs. A ideia principal é que os buracos negros supermassivos se alimentarão de matéria, acelerando e aquecendo-a, o que faz com que ela se ionize e emita luz. Com base na luz que observamos, podemos inferir com sucesso a massa do buraco negro central, que muitas vezes atinge bilhões de vezes a massa do nosso Sol. Mesmo para os primeiros quasares, como J1342+0928 , podemos chegar a uma massa de 800 milhões de massas solares apenas 690 milhões de anos após o Big Bang: quando o Universo tinha apenas 5% de sua idade atual.

O conceito deste artista mostra o buraco negro supermassivo mais distante já descoberto. Faz parte de um quasar de apenas 690 milhões de anos após o Big Bang. Crédito da imagem: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science.



Se você tentar construir um buraco negro da maneira convencional, fazendo com que estrelas massivas se transformem em supernovas, formem pequenos buracos negros e se fundam, você terá problemas. A formação de estrelas é um processo violento, pois quando a fusão nuclear se inflama, a radiação intensa queima o gás restante que, de outra forma, formaria estrelas cada vez mais massivas. Das regiões de formação de estrelas próximas às mais distantes que já observamos, esse mesmo processo parece estar ocorrendo, impedindo que estrelas (e, portanto, buracos negros) além de uma certa massa se formem.



A concepção de um artista de como o Universo pode se parecer ao formar estrelas pela primeira vez. Embora as estrelas possam atingir muitas centenas ou mesmo mil massas solares, é muito difícil ver como você poderia obter um buraco negro da massa que os primeiros quasares possuem. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech/R. Ferido (SSC).

Temos um cenário padrão que é muito poderoso e atraente: de explosões de supernovas, interações gravitacionais e, em seguida, crescimento por fusões e acréscimos. Mas os primeiros quasares que vemos são muito massivos muito rapidamente para serem explicados por isso. Nosso outro caminho conhecido para criar buracos negros, a partir da fusão de estrelas de nêutrons, não fornece mais ajuda. Em vez disso, um terceiro cenário de colapso direto pode ser o responsável. Essa ideia foi ajudada por três evidências no ano passado:



  1. A descoberta de quasares ultra-jovens como J1342+0928, na posse de buracos negros com muitas centenas de milhões de massas solares.
  2. Avanços teóricos que mostram como, se o cenário de colapso direto for verdadeiro, poderíamos formar buracos negros de sementes iniciais mil vezes mais massivos que os formados por supernovas.
  3. E a descoberta das primeiras estrelas que se tornam buracos negros via colapso direto, validando o processo.

Além da formação por supernovas e fusões de estrelas de nêutrons, deve ser possível que buracos negros se formem por meio de colapso direto. Simulações como a mostrada aqui demonstram que, sob as condições corretas, buracos negros sementes de 100.000 a 1.000.000 de massas solares podem se formar nos estágios iniciais do Universo. Crédito da imagem: Aaron Smith/TACC/UT-Austin.

Normalmente, são as estrelas mais quentes, mais jovens, mais massivas e mais novas do Universo que levarão a um buraco negro. Existem muitas galáxias como esta nos estágios iniciais do Universo, mas também existem muitas proto-galáxias que são todas gás, poeira e matéria escura, sem estrelas ainda. Lá fora, no grande abismo cósmico, encontramos até um exemplo de um par de galáxias assim: onde uma formou estrelas furiosamente e a outra pode ainda não ter formado nenhuma. A galáxia ultra-distante, conhecido como CR7 , tem uma população massiva de estrelas jovens e uma mancha próxima de gás emissor de luz que pode ainda não ter formado uma única estrela.



Ilustração da distante galáxia CR7, que no ano passado foi descoberta por abrigar uma população primitiva de estrelas formadas a partir do material direto do Big Bang. Uma dessas galáxias definitivamente abriga estrelas; o outro pode ainda não ter formado nenhum. Crédito da imagem: M. Kornmesser / ESO.



Em um estudo teórico publicado em março deste ano , um mecanismo fascinante para produzir buracos negros de colapso direto a partir de um mecanismo como esse foi introduzido. Uma galáxia jovem e luminosa pode irradiar um parceiro próximo, o que impede que o gás dentro dela se fragmente para formar pequenos aglomerados. Normalmente, são os pequenos aglomerados que colapsam em estrelas individuais, mas se você não conseguir formar esses aglomerados, poderá obter um colapso monolítico de uma enorme quantidade de gás em uma única estrutura ligada. A gravitação então faz sua parte, e seu resultado líquido pode ser um buraco negro com mais de 100.000 vezes a massa do nosso Sol, talvez até 1.000.000 de massas solares.

Quasares distantes e massivos mostram buracos negros ultramassivos em seus núcleos. É muito difícil formá-los sem uma grande semente, mas um buraco negro de colapso direto poderia resolver esse quebra-cabeça com bastante elegância. Crédito da imagem: J. Wise/Georgia Institute of Technology e J. Regan/Dublin City University.



Existem muitos mecanismos teóricos que se tornam intrigantes, no entanto, que não são confirmados quando se trata de ambientes físicos reais. O colapso direto é possível? Agora podemos responder definitivamente a essa pergunta com um sim, já que a primeira estrela que era massiva o suficiente para se tornar uma supernova foi vista simplesmente desaparecendo. Sem fogos de artifício; nenhuma explosão; sem aumento de luminosidade. Apenas uma estrela que estava lá em um momento e é substituída por um buraco negro no próximo. Como visto antes e depois com o Hubble, não há dúvida de que o colapso direto da matéria para um buraco negro ocorre em nosso Universo.

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. Crédito da imagem: NASA/ESA/C. Kochanek (OSU).



Junte todas essas três informações e você chegará à imagem a seguir de como esses buracos negros supermassivos se formam tão cedo.

  • Uma região do espaço colapsa para formar estrelas, enquanto uma região próxima do espaço também sofreu colapso gravitacional, mas ainda não formou estrelas.
  • A região com estrelas emite uma quantidade intensa de radiação, onde a pressão dos fótons impede que o gás da outra nuvem se fragmente em estrelas em potencial.
  • A própria nuvem continua a entrar em colapso, fazendo isso de forma monolítica. Ele expele energia (radiação) ao fazê-lo, mas sem nenhuma estrela dentro.
  • Quando um limiar crítico é ultrapassado, essa enorme quantidade de massa, talvez centenas de milhares ou mesmo milhões de vezes a massa do nosso Sol, colapsa diretamente para formar um buraco negro.
  • A partir dessa semente massiva e precoce, é fácil obter buracos negros supermassivos simplesmente pela física da gravitação, fusão, acreção e tempo.

Pode não só ser possível, mas com o novo conjunto de radiotelescópios sendo lançados online, bem como o Telescópio Espacial James Webb, podemos testemunhar o processo em ação.

Uma pequena seção do Karl Jansky Very Large Array, um dos maiores e mais poderosos conjuntos de radiotelescópios do mundo. Crédito da imagem: John Fowler.

A galáxia CR7 é provavelmente um exemplo de muitos objetos semelhantes que provavelmente estão por aí. Como Volker Bromm, o teórico por trás do mecanismo de colapso direto primeiro disse , uma galáxia próxima e luminosa pode causar o colapso direto de uma nuvem de gás próxima. Tudo que você precisa fazer é começar com um

nuvem primordial de hidrogênio e hélio, inundada em um mar de radiação ultravioleta. Você tritura essa nuvem no campo gravitacional de um halo de matéria escura. Normalmente, a nuvem seria capaz de esfriar e se fragmentar para formar estrelas. No entanto, os fótons ultravioleta mantêm o gás quente, suprimindo assim qualquer formação de estrelas. Estas são as condições desejadas, quase milagrosas: colapso sem fragmentação! À medida que o gás fica cada vez mais compacto, eventualmente você tem as condições para um buraco negro massivo.

A estrela em colapso direto que observamos exibiu um breve brilho antes de ter sua luminosidade reduzida a zero, um exemplo de supernova fracassada. Para uma grande nuvem de gás, a emissão luminosa de luz é esperada, mas nenhuma estrela é necessária para formar um buraco negro dessa maneira. Crédito da imagem: NASA/ESA/P. Jeffries (STScI).

Com um pouco de sorte, quando 2020 chegar, esse é um mistério de longa data que pode finalmente ser resolvido.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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