Começa Com Um Estrondo

O buraco negro mais jovem e massivo é um quebra-cabeça para a astronomia

Esta é a impressão de um artista do quasar 3C 279. Este quasar, como ilustrado aqui, tem uma massa de mais de 1 bilhão de sóis e está localizado a cerca de 5 bilhões de anos-luz de distância. Quasares ainda mais distantes foram encontrados, mas têm massas extremamente altas que desafiam nossa visão convencional da cosmologia. Crédito da imagem: ESO / M. Kornmesser.

Como você fica tão massivo tão rápido? A resposta pode ser um grande problema para nossa imagem padrão da cosmologia.

Nas distâncias extremas do Universo, os primeiros quasares podem ser encontrados.

HE0435–1223, localizado no centro desta imagem de campo amplo, está entre os cinco quasares com melhor lente descobertos até hoje. A galáxia em primeiro plano cria quatro imagens quase uniformemente distribuídas do quasar distante ao seu redor. Crédito de imagem: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

Buracos negros supermassivos nos centros de galáxias jovens aceleram a matéria a velocidades tremendas, fazendo com que emitam jatos de radiação.

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 Hercules A. Image crédito: NASA, ESA, S. Baum e C. O'Dea (RIT), R. Perley e W. Cotton (NRAO/AUI/NSF), e a Equipe de Herança do Hubble (STScI/AURA).

O que observamos nos permite reconstruir a massa do buraco negro central e explorar o Universo ultra-distante.

Quanto mais longe olhamos, mais perto no tempo estamos vendo o Big Bang. O mais novo recordista de quasares vem de uma época em que o Universo tinha apenas 690 milhões de anos. Crédito da imagem: Jinyi Yang, Universidade do Arizona; Reidar Hahn, Fermilab; M. Newhouse NOAO/AURA/NSF.

Recentemente, um novo buraco negro, J1342+0928, foi descoberto como originário de 13,1 bilhões de anos atrás: quando o Universo tinha 690 milhões de anos, apenas 5% de sua idade atual.

Conforme visto com nossos telescópios mais poderosos, como o Hubble, os avanços na tecnologia de câmeras e técnicas de imagem nos permitiram sondar e entender melhor a física e as propriedades de quasares distantes, incluindo suas propriedades de buraco negro central. Crédito da imagem: NASA e J. Bahcall (IAS) (L); NASA, A. Martel (JHU), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), o ACS Science Team e ESA (R).

Tem uma massa de 800 milhões de sóis, um número extremamente alto para tempos tão antigos.

A renderização deste artista mostra uma galáxia sendo limpa de gás interestelar, os blocos de construção de novas estrelas. Os ventos impulsionados por um buraco negro central são responsáveis por isso e podem estar no centro do que está impulsionando essa galáxia ultra-distante ativa por trás desse quasar recém-descoberto. Crédito da imagem: ESA/ATG Medialab.

Mesmo que esse buraco negro se formasse desde as primeiras estrelas, ele teria que acumular matéria e crescer na taxa máxima possível – o limite de Eddington – para atingir esse tamanho tão rapidamente.

A galáxia ativa IRAS F11119+3257 mostra, quando vista de perto, fluxos que podem ser consistentes com uma grande fusão. Buracos negros supermassivos só podem ser visíveis quando são 'ligados' por um mecanismo de alimentação ativo, explicando por que podemos ver esses buracos negros ultradistantes. Crédito da imagem: Goddard Space Flight Center da NASA/SDSS/S. Veilleux.

Felizmente, existem outras maneiras de crescer um buraco negro supermassivo.

Quando ocorrem novas explosões de formação estelar, um grande número de estrelas massivas é criado.

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).

Estes podem colapsar diretamente ou transformar-se em supernova, criando um grande número de buracos negros massivos que se fundem e crescem.

Simulações de vários processos ricos em gás, como fusões de galáxias, indicam que a formação de buracos negros de colapso direto deve ser possível. Uma combinação de colapso direto, supernovas e fusão de estrelas e remanescentes estelares poderia produzir um jovem buraco negro tão grande. Crédito da imagem: L. Mayer et al. (2014), por https://arxiv.org/abs/1411.5683 .

Apenas 20 buracos negros deste tamanho deveriam existir tão cedo no Universo.

Um quasar ultradistante mostrando muitas evidências de um buraco negro supermassivo em seu centro. Como esse buraco negro ficou tão grande tão rapidamente é um tópico de debate científico controverso, mas pode ter uma resposta que se encaixe em nossas teorias padrão. Crédito da imagem: Raio-X: NASA/CXC/Univ of Michigan/R.C.Reis et al; Óptico: NASA/STScI.

Isso é um problema para a cosmologia? Mais dados decidirão.