Novas simulações mostram como buracos negros supermassivos se formam

Pesquisadores do Japão acrescentam uma nova ruga a uma teoria popular e preparam o terreno para a formação de buracos negros monstruosos.



Novas simulações mostram como buracos negros supermassivos se formam

Instantâneo da nova simulação de formação de buraco negro supermassivo

Fonte da imagem: Sunmyon Chon / National Institutes Of Natural Sciences, Japão
  • Uma nova teoria usa a teoria do colapso direto explicando a criação de buracos negros supermassivos em torno dos quais as galáxias dão um passo à frente.
  • O avanço é possível graças a um computador superpoderoso, ATERUI II.
  • A nova teoria é a primeira que explica a provável variedade de elementos pesados ​​nas nuvens de gás do universo inicial.

Parece que quase todas as galáxias que vemos estão girando em torno de um buraco negro supermassivo. Quando dizemos 'supermassivo', queremos dizer GRANDE: cada um tem cerca de 100.000 a dezenas de bilhões de vezes a massa do nosso sol. Servindo como locais em torno dos quais nossas galáxias giram, eles são claramente importantes para manter as estruturas universais que vemos. Seria bom saber como eles se formam. Temos uma boa ideia de como os buracos negros normalmente enormes, mas não massivos, se formam, mas quanto às versões supermassivas maiores, nem tanto. É uma peça supermassiva que faltava no quebra-cabeça do universo.



Agora, em pesquisa publicada em Avisos mensais da Sociedade Astronômica , astrofísicos em Tohoku University no Japão revelam que eles podem ter resolvido o enigma, apoiados por novas simulações de computador que mostram como os buracos negros supermassivos vêm a ser.

As teorias do colapso direto

Gás brilhante e poeira escura dentro da Grande Nuvem de Magalhães

Fonte da imagem: ESA / Hubble e NASA



A teoria favorita sobre o nascimento de buracos negros supermassivos até agora tem sido o ' colapso direto 'teoria. A teoria propõe uma solução para um enigma cósmico: buracos negros supermassivos parecem ter nascido meros 690 milhões de anos após o Big Bang, não quase o suficiente para que o cenário de gênese do buraco negro normal tenha se desenrolado, e em um grande escala. Existem duas versões da teoria do colapso direto.

Uma versão propõe que, se gás suficiente se reunir em uma nuvem supermassiva gravitacionalmente ligada, ele pode eventualmente colapsar em um buraco negro, que, graças à natureza cósmica de fundo livre de radiação do universo primordial, poderia então rapidamente puxar matéria suficiente para tornam-se supermassivos em um período de tempo relativamente curto.

De acordo com o astrofísico Shantanu Basu da Western University em London, Ontário, isso só teria sido possível nos primeiros 800 milhões de anos ou mais do universo. 'Os buracos negros são formados ao longo de apenas cerca de 150 milhões de anos e crescem rapidamente durante este tempo', disse Basu Ciência Viva no verão de 2019. 'Os que se formam na primeira parte da janela de 150 milhões de anos podem aumentar sua massa por um fator de 10 mil.' Basu foi o principal autor da pesquisa publicada no verão passado em Cartas de jornal astrofísico que modelos de computador apresentados mostrando esta versão de colapso direto é possível.

Outra versão da teoria sugere que a nuvem de gás gigante colapsa em uma estrela supermassiva primeiro, que então colapsa em um buraco negro, que então - presumivelmente novamente graças ao estado do universo inicial - suga matéria suficiente para se tornar supermassiva rapidamente.

Há um problema com a teoria do colapso direto, entretanto, além de sua janela de tempo relativamente estreita. Modelos anteriores mostram que ele funciona apenas com nuvens de gás prístinas compostas de hidrogênio e hélio. Outros elementos mais pesados ​​- carbono e oxigênio, por exemplo - quebram os modelos, fazendo com que a nuvem de gás gigante se divida em nuvens de gás menores que eventualmente formam estrelas separadas, fim da história. Nenhum buraco negro supermassivo, e nem mesmo uma estrela supermassiva para o segundo sabor da teoria do colapso direto.

Um novo modelo

ATERUI II

Fonte da imagem: NAOJ

O Observatório Astronômico Nacional do Japão tem um supercomputador chamado ' ATERUI II 'que foi encomendado em 2018. A equipe de pesquisa da Tohoku University, liderada por um bolsista de pós-doutorado Sunmyon Chon , usou o ATERUI II para executar simulações de alta resolução, 3D e de longo prazo para verificar uma nova versão da ideia de colapso direto que faz sentido mesmo com nuvens de gás contendo elementos pesados.

Chon e sua equipe propõem que, sim, nuvens de gás supermassivas com elementos pesados ​​se dividem em nuvens de gás menores que acabam formando estrelas menores. No entanto, eles afirmam que não é o fim da história.

Os cientistas dizem que após a explosão, permanece uma tremenda atração para dentro em direção ao centro da ex-nuvem que arrasta todas aquelas estrelas menores, eventualmente fazendo com que elas cresçam em uma única estrela supermassiva, 10.000 vezes maior que o Sol. Esta é uma estrela grande o suficiente para produzir os buracos negros supermassivos que vemos quando ela finalmente entra em colapso sobre si mesma.

'Esta é a primeira vez que mostramos a formação de um precursor de buraco negro tão grande em nuvens enriquecidas em elementos pesados,' diz Chon, acrescentando: 'Acreditamos que a estrela gigante assim formada continuará a crescer e evoluir para um buraco negro gigante.'

Modelar o comportamento de um número expandido de elementos dentro da nuvem e, ao mesmo tempo, levar adiante esses modelos por meio do violento colapso da nuvem e suas consequências, exige uma sobrecarga computacional tão alta que apenas um computador avançado como ATERUI II poderia realizar.

Ser capaz de desenvolver uma teoria que leva em conta, pela primeira vez, a provável complexidade das nuvens de gás do universo inicial torna a ideia da Universidade de Tohoku a explicação mais completa e plausível dos misteriosos buracos negros supermassivos do universo. Kazuyuki Omukai, também da Universidade de Tohoku, diz: 'Nosso novo modelo é capaz de explicar a origem de mais buracos negros do que os estudos anteriores, e esse resultado leva a um entendimento unificado da origem dos buracos negros supermassivos.'

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