Como o Universo conseguiu seus primeiros buracos negros supermassivos?
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. Crédito da imagem: M. Kornmesser / ESO.
Como eles ficam tão grandes tão rápido é um mistério. O colapso direto pode ser a solução que estamos procurando?
Para que algo entre em colapso, nem todos os sistemas precisam ser desligados. Na maioria dos casos, apenas um sistema é suficiente. – Robert Kiyosaki
No centro de quase todas as grandes galáxias encontra-se um buraco negro supermassivo, milhões ou mesmo bilhões de vezes a massa do nosso Sol em escala. Nosso Universo existe há 13,8 bilhões de anos, o que você pode pensar que é tempo de sobra para formar um buraco negro tão grande. No entanto, quanto mais e mais longe no tempo olhamos, cada buraco negro supermassivo que medimos parece ter aproximadamente a mesma massa como os de hoje. Em outras palavras, enquanto as estruturas de maior escala no Universo:
- galáxias elípticas gigantes,
- aglomerados ultramassivos com milhares de vezes a massa da Via Láctea,
- e filamentos galácticos com centenas de milhões de anos-luz de diâmetro,
levou bilhões de anos para se formar, existem buracos negros ultramassivos que existem desde que podemos ver.
Uma linha do tempo ilustrada da história do Universo. Crédito da imagem: Observatório Europeu do Sul (ESO).
Eles não são anteriores às estrelas, mas são encontrados nas primeiras galáxias massivas que sabemos medir. O louco A explicação é que o Universo nasceu com esses gigantes cósmicos, mas isso vai contra tudo o que sabemos sobre a formação de estruturas, incluindo as magnitudes e escalas de massa/tamanho das flutuações que deram origem a tudo o que vemos hoje. A nova física que teria que ser hipotetizada para criar um Universo que nasceu com buracos negros extremamente grandes não é apenas absurda, é incrivelmente limitada por observações da luz cósmica de fundo que povoa o cosmos.
As flutuações no fundo de microondas cósmico, como visto por Planck. Crédito da imagem: ESA e a colaboração do Planck.
Mas há duas explicações mundanas, ou explicações que não envolvem nenhuma nova física fundamental além daquela que conhecemos atualmente.
- Um enorme conjunto de explosões estelares – uma corrida gigantesca de formação estelar catastrófica – desencadeou a formação de muitos buracos negros de massa estelar em apenas alguns milhões de anos. Com o tempo, eles se fundiram e migraram para o centro da galáxia, dando origem a um buraco negro supermassivo em um período muito curto.
- Um buraco negro supermassivo formado por colapso direto da matéria em um buraco negro muito grande e maciço de uma só vez, fornecendo a semente para buracos negros ultramassivos crescerem em uma escala de tempo relativamente curta.
O primeiro cenário, por muitas pessoas, é considerado a explicação mais simples, pois vemos muitas evidências de como isso poderia funcionar, ainda hoje.
A galáxia starburst Henize 2–10, localizada a 30 milhões de anos-luz de distância. Crédito da imagem: Raio-X (NASA/CXC/Virginia/A.Reines et al); Rádio (NRAO/AUI/NSF); Óptico (NASA/STScI).
A formação de estrelas é conhecida por ocorrer em rajadas, com as maiores taxas de formação de estrelas ocorrendo nos primeiros três bilhões de anos do Universo, e caindo desde então. Quando as estrelas se formam bastante , eles produzem estrelas de todas as massas e cores diferentes, incluindo um grande número de estrelas com mais de 20, 50, 100 ou até 200 massas solares. Essas estrelas massivas, azuis e quentes são as mais brilhantes e as de vida mais curta, e terminam suas vidas em supernovas de colapso de núcleo, quase todas dando origem a buracos negros. Por causa da dinâmica da gravidade, a maneira como esses objetos mais massivos funcionam é que eles interagem com as outras estrelas ao seu redor, chutando-as enquanto afundam no centro de um aglomerado ou galáxia e depois se fundem. É um cenário simples e conservador. Mas também pode ser insuficiente.
No ano passado, a galáxia CR7 foi descoberta: uma forte candidata a ter uma população de estrelas verdadeiramente intocada. Pristine significa que este seria o primeira vez estrelas estavam se formando dentro desta galáxia desde o Big Bang, e a ciência apóia essa visão com bastante força. No entanto, se olharmos até mesmo para esta galáxia, encontraremos algo espetacular nela: ela também exibe evidências de um buraco negro supermassivo. E embora a explicação do starburst seja tentadora, pode não se alinhar completamente com o que vemos. Dentro um artigo escrito no início deste ano , os cientistas Aaron Smith, Volker Bromm e Abraham Loeb apresentaram uma explicação diferente: talvez eles estivessem vendo a primeira evidência de um buraco negro de colapso direto!
As imagens de raios-X e ópticas de uma pequena galáxia contendo um buraco negro muitas dezenas de milhares de vezes a massa do nosso Sol. Esses buracos negros podem ter surgido primeiro no Universo pelo colapso direto da matéria. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/Univ of Michigan/V.F.Baldassare, et al; Óptico: SDSS; Ilustração: NASA/CXC/M.Weiss.
Esta galáxia, enviando luz de 13 bilhões de anos atrás, precisa ver essa luz viajar por todo o Universo em expansão, onde seus comprimentos de onda se estendem do ultravioleta através da porção visível do espectro e até o infravermelho. Ainda assim, as estrelas mais quentes e azuis – nas quais é rica – causam intensa emissão ultravioleta dos átomos presentes: hidrogênio e hélio. Essas linhas de emissão se originam de partes ligeiramente diferentes da galáxia e, graças à incrível tecnologia das observações de 2015 detectando-as, conseguimos determinar que as emissões de hidrogênio parecem estar se movendo rapidamente, a 160 km/s, em relação ao hélio. emissões. Quando Smith, Bromm e Loeb tentam modelar essas emissões usando simulações, eles descobrem que uma enorme fonte de radiação deve estar presente no centro, criando uma bolha ionizada e expulsando uma concha de gás em expansão para fora do centro.
Uma rica nebulosa de gás, empurrada para o meio interestelar pelas novas estrelas quentes formadas na região central. Crédito da imagem: Observatório Gemini / AURA.
tem duas explicações a considerar : ou há um enorme aglomerado de estrelas a uma temperatura incrivelmente alta de 100.000 K, ou há um enorme buraco negro dirigindo-o. A grande diferença entre os dois modelos é que o buraco negro maciço produz a velocidade de deslocamento entre o hidrogênio e o hélio, bem como a incrível Tamanho da região (mais de 50.000 anos-luz!), enquanto o aglomerado de estrelas massivo primordial não.
Estas são apenas simulações, no entanto; se você quiser confirmar sua foto, você precisa de provas para decidir de uma forma ou de outra. A maneira como poderemos determinar se realmente existe um buraco negro massivo será observacional e envolverá a procura das emissões de rádio características dos buracos negros.
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, sob uma licença cc-by-2.0.
Os maiores e mais avançados conjuntos de radiotelescópios do mundo estão prestes a cumprir a tarefa! As evidências que apontam para a existência de buracos negros de colapso direto são tentadoras e sugestivas, mas ainda não passamos do limite. Para chegar lá, precisamos ver a prova. Mas a possibilidade teórica foi levantada, e o desafio foi lançado. É hora de coletar as evidências e deixar a natureza decidir!
Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes , e é oferecido a você sem anúncios por nossos apoiadores do Patreon . Comente em nosso fórum , & compre nosso primeiro livro: Além da Galáxia !
Compartilhar:
