Começa Com Um Estrondo

Como foi quando os primeiros buracos negros supermassivos se formaram?

O conceito deste artista mostra o quasar mais distante e o buraco negro supermassivo mais distante alimentando-o. Com um desvio para o vermelho de 7,54, ULAS J1342+0928 corresponde a uma distância de cerca de 29 bilhões de anos-luz; é o quasar/buraco negro supermassivo mais distante já descoberto. Sua luz chega aos nossos olhos hoje, na parte de rádio do espectro, porque foi emitida apenas 690 milhões de anos após o Big Bang. (ROBIN DIENEL / CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE)

Esses gigantes cósmicos eram enormes desde os primeiros tempos. Aqui está como eles vieram a ser.

Um dos maiores desafios para a astrofísica moderna é descrever como o Universo passou de um lugar uniforme sem planetas, estrelas ou galáxias para o cosmos rico, estruturado e diversificado que vemos hoje. Até onde podemos ver, quando o Universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos, encontramos uma enorme quantidade de objetos fascinantes. Estrelas e aglomerados de estrelas existem em abundância; galáxias com talvez um bilhão de estrelas iluminam o Universo; mesmo quasares com buracos negros muito grandes se formaram antes que o Universo tivesse um bilhão de anos.

Mas como o Universo fez buracos negros tão massivos em tão curtos períodos de tempo? Após décadas de histórias conflitantes, os cientistas finalmente pensam que sabemos o que aconteceu.

A concepção de um artista de como o Universo pode se parecer ao formar estrelas pela primeira vez. As estrelas podem atingir muitas centenas ou mesmo mil massas solares, e podem levar à formação relativamente rápida de um buraco negro da massa que os primeiros quasares possuem. (NASA/JPL-CALTECH/R. HURT (SSC))

Apenas 50 a 100 milhões de anos após o Big Bang, as primeiras estrelas de todas começou a se formar. Nuvens maciças de gás começaram a entrar em colapso, mas como eram compostas apenas de hidrogênio e hélio, elas lutam para irradiar calor e dissipar sua energia. Como resultado, esses aglomerados que se formam e crescem gravitacionalmente precisam ficar muito mais massivos do que os aglomerados que formam estrelas hoje, e isso tem repercussões nos tipos de estrelas que se formam.

Enquanto hoje, normalmente, formamos estrelas com cerca de 40% da massa do Sol, as primeiras estrelas eram cerca de 25 vezes mais massivas, em média. Como você precisa esfriar para entrar em colapso, são apenas os aglomerados maiores e mais massivos que se formam no início que levarão às estrelas. A primeira estrela média pode ter dez vezes a massa do nosso Sol, com muitas estrelas individuais atingindo centenas ou até mil massas solares.

O (moderno) sistema de classificação espectral Morgan-Keenan, com a faixa de temperatura de cada classe de estrelas mostrada acima, em kelvin. A esmagadora maioria das estrelas hoje são estrelas da classe M, com apenas 1 estrela conhecida da classe O ou B dentro de 25 parsecs. Nosso Sol é uma estrela da classe G. No entanto, no início do Universo, quase todas as estrelas eram estrelas da classe O ou B, com uma massa média 25 vezes maior que a média das estrelas atuais. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS LUCASVB, ADIÇÕES DE E. SIEGEL)

A maioria dessas estrelas terminará sua vida em uma supernova, levando a uma estrela de nêutrons ou a um pequeno buraco negro de baixa massa. Mas sem nenhum elemento pesado, as estrelas mais massivas atingirão temperaturas tão altas em seus núcleos que os fótons, as partículas individuais de luz, podem se tornar tão energéticas que começarão espontaneamente a produzir pares de matéria e antimatéria apenas com energia pura.

Você já deve ter ouvido falar de Einstein E = mc² , e esta é talvez sua aplicação mais poderosa: uma forma pura de energia, como fótons, pode criar partículas massivas desde que as regras quânticas fundamentais que governam a natureza sejam obedecidas. A maneira mais fácil de fazer matéria e antimatéria é fazer com que os fótons produzam um par elétron/pósitron, o que acontecerá sozinho se as temperaturas forem altas o suficiente.

Este diagrama ilustra o processo de produção de pares que os astrônomos pensam que desencadeou o evento de hipernova conhecido como SN 2006gy. Quando fótons de energia alta o suficiente são produzidos, eles criam pares elétron/pósitron, causando uma queda de pressão e uma reação descontrolada que destrói a estrela. Os picos de luminosidade de uma hipernova são muitas vezes maiores do que os de qualquer outra supernova “normal”. (NASA/CXC/M. WEISS)

Nessas estrelas ultramassivas, como em todas as estrelas, a gravitação está tentando puxar toda essa matéria para o centro. Mas os fótons e toda a radiação produzida nos núcleos dessas estrelas empurram para trás e mantêm a estrela em pé, evitando seu colapso.

Quando você começa a produzir pares de elétron-pósitron a partir desses fótons, no entanto, está perdendo parte dessa pressão de radiação. Você está esgotando a capacidade de sua estrela de resistir ao colapso gravitacional. E embora seja verdade que existem algumas faixas de massa estreitas que levam a estrela a se destruir completamente, uma grande fração de casos resultará no colapso direto da estrela inteira para formar um buraco negro.

Tipos de supernovas em função da massa inicial e 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. (FULVIO314 / WIKIMEDIA COMMONS)

Este é um passo notável! Isso significa que as estrelas mais massivas de todas, com muitas centenas ou mesmo mil massas solares, podem se formar quando o Universo tem apenas 100 milhões de anos ou mais: menos de 1% de sua idade atual. Essas estrelas queimarão seu combustível nuclear mais rápido, em 1 ou 2 milhões de anos. E então, seus núcleos ficarão tão quentes que começarão a transformar fótons em partículas e antipartículas, o que faz com que a estrela colapse e aqueça ainda mais rápido.

Depois de cruzar um certo limite, tudo o que você pode fazer é entrar em colapso. E isso também não é apenas teoria; Na verdade, vimos estrelas colapsarem diretamente sem uma supernova, levando diretamente ao que só poderia ser um buraco negro.

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. Lover (OSU))

Mas isso é só o começo. Sempre que você tem um grande aglomerado de objetos massivos agindo principalmente sob a força da gravidade, diferentes objetos são expulsos dessas interações. Os objetos menos massivos são os mais fáceis de ejetar, enquanto os objetos mais massivos são os mais difíceis de ejetar. À medida que essas estrelas, nuvens de gás, aglomerados e buracos negros dançam, eles sofrem o que é conhecido como segregação de massa: os objetos mais pesados caem no centro gravitacional, onde interagem e podem até se fundir.

De repente, em vez de algumas centenas de buracos negros de algumas centenas ou alguns milhares de massas solares, você pode acabar com um único buraco negro de aproximadamente 100.000 massas solares ou até mais.

Eventos cataclísmicos ocorrem em toda a galáxia e em todo o Universo, de supernovas a buracos negros ativos, a fusão de estrelas de nêutrons e muito mais. Em um aglomerado ou aglomerado que forma muitos buracos negros, eles atrairão e expelirão gravitacionalmente outros objetos menores, levando a uma série de fusões massivas e criando um grande buraco negro central. (J. WISE/GEORGIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY E J. REGAN/DUBLIN CITY UNIVERSITY)

Embora, gravitacionalmente, possa levar dezenas de milhões de anos para que isso aconteça, isso é apenas para um único aglomerado de estrelas! O Universo, desde seus estágios iniciais, está formando esses aglomerados de estrelas em todo o lugar, e esses aglomerados de estrelas começam a se atrair gravitacionalmente. Com o tempo, esses aglomerados de estrelas díspares influenciarão uns aos outros e a gravidade os unirá.

Quando o Universo não tiver mais de 250 milhões de anos, eles terão começado a se fundir bastante , levando às primeiras proto-galáxias. A gravidade é uma força que realmente favorece o overdog e, com o passar do tempo, dezenas, centenas e até milhares desses aglomerados iniciais e iniciais podem se unir para crescer em galáxias cada vez maiores. A teia cósmica faz com que as estruturas se fundam em estruturas cada vez maiores.

Projeção em grande escala através do volume Illustris em z=0, centrado no aglomerado mais massivo, 15 Mpc/h de profundidade. Mostra a densidade da matéria escura (esquerda) em transição para a densidade do gás (direita). A estrutura em grande escala do Universo não pode ser explicada sem a matéria escura. O conjunto completo do que está presente no Universo determina que a estrutura se forme primeiro em pequenas escalas, eventualmente levando a progressivamente maiores e maiores. (COLABORAÇÃO DISTINTA / SIMULAÇÃO FAMOSA)

Isso pode facilmente nos levar a massas que são muitas dezenas de milhões de massas solares quando chegarmos às primeiras galáxias, mas algo mais acontece também. Não são apenas os buracos negros que se fundem para construir os supermassivos no centro; é qualquer assunto que caia neles! Essas primeiras galáxias são objetos compactos e estão cheias de estrelas, gás, poeira, aglomerados de estrelas, planetas e muito mais. Sempre que algo se aproxima demais de um buraco negro, corre o risco de ser devorado.

Lembre-se de que a gravidade é uma força descontrolada: quanto mais massa você tem, mais massa você atrai. E se algo se aproximar demais de um buraco negro, sua matéria é esticada e aquecida, onde se tornará parte do disco de acreção do buraco negro. Parte dessa matéria será aquecida e acelerada, onde poderá emitir jatos quasares. Mas parte dele também cairá, fazendo com que a massa do buraco negro cresça ainda mais.

Quando os buracos negros se alimentam de matéria, eles criam um disco de acreção e um jato bipolar perpendicular a ele. Quando um jato de um buraco negro supermassivo aponta para nós, nós o chamamos de objeto BL Lacertae ou blazar. Acredita-se agora que esta seja uma importante fonte de raios cósmicos e neutrinos de alta energia. (NASA/JPL)

Se houvesse uma palavra do vocabulário que os astrofísicos que estudam o crescimento do objeto via gravidade gostariam que o público em geral soubesse, seria essa excêntrica: não linear . Quando você tem uma região do espaço que é mais densa que a média, ela atrai preferencialmente matéria. Se for apenas alguns por cento mais denso que a média, a atração gravitacional é apenas alguns por cento mais eficaz que a média. Dobre a quantidade de excesso de densidade e você dobra a quantidade de que é mais eficaz em atrair coisas.

Mas quando você atinge um certo limite de ser o dobro da média, você se torna muito mais que duas vezes mais eficaz em atrair outras matérias. Quando você começa a vencer a guerra gravitacional, você ganha cada vez mais com o passar do tempo. As regiões mais massivas, portanto, não apenas crescem mais rápido, elas comem tudo ao seu redor. Com o passar de meio bilhão de anos, você pode ser enorme.

A galáxia distante MACS1149-JD1 é gravitacionalmente captada por um aglomerado em primeiro plano, permitindo que ela seja fotografada em alta resolução e em vários instrumentos, mesmo sem tecnologia de última geração. (ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA HUBBLE SPACE TELESCOPE, W. ZHENG (JHU), M. POSTMAN (STSCI), THE CLASH TEAM, HASHIMOTO ET AL.)

As primeiras galáxias e quasares que já encontramos estão entre os mais brilhantes e massivos que esperamos existir. Eles são os grandes vencedores nas guerras gravitacionais do Universo primitivo: os derradeiros overdogs cósmicos. Quando nossos telescópios os revelam, 400 a 700 milhões de anos após o Big Bang (o quasar mais antigo vem de 690 milhões de anos), eles já têm bilhões de estrelas e buracos negros supermassivos de muitas centenas de milhões de massas solares.

Mas esta não é uma catástrofe cósmica; esta é uma evidência que mostra o poder descontrolado da gravitação em nosso Universo. Semeados pela primeira geração de estrelas e os buracos negros relativamente grandes que eles produzem, esses objetos se fundem e crescem dentro de um aglomerado, e depois crescem ainda mais à medida que os aglomerados se fundem para formar galáxias e galáxias se fundem para formar galáxias maiores. Até hoje, temos buracos negros dezenas de bilhões tão massivos quanto o Sol. Mas mesmo nos estágios iniciais que podemos observar, buracos negros de bilhões de massas solares estão bem ao nosso alcance. À medida que retiramos o véu cósmico, esperamos aprender exatamente como eles crescem.

Leitura adicional sobre como era o Universo quando: