Os cientistas podem ter resolvido um mistério cósmico que os preocupa desde que o Telescópio Espacial James Webb (JWST) iniciou as observações em 2022.
Quando os astrónomos começaram a olhar para os primórdios do Universo com o observatório de última geração, descobriram buracos negros supermassivos que parecem ter se formado antes do universo ter 1 bilhão de anos, algo que nossos modelos atuais do cosmos não conseguem explicar. Mas um novo estudo descobriu que um buraco negro “frenesi alimentar” pode explicar como esses monstros cósmicos nasceram tão cedo na história do universo.
“Descobrimos que as condições caóticas que existiam no Universo primitivo desencadearam buracos negros precoces e mais pequenos que se transformaram nos buracos negros supermassivos que vemos mais tarde, após um frenesim que devorou material à sua volta”, disse o líder da investigação, Daxal Mehta, da Universidade de Maynooth, num comunicado. “Revelámos, através de simulações computacionais de última geração, que a primeira geração de buracos negros – aqueles que nasceram apenas algumas centenas de milhões de anos depois do Big Bang cresceu incrivelmente rápido, chegando a dezenas de milhares de vezes o tamanho do nosso Sol.”
Realizando simulações computacionais complexas, esta equipe de pesquisadores descobriu que as condições turbulentas e ricas em gás denso nas primeiras galáxias podem ter permitido que os buracos negros entrassem em breves fases de megagula, ultrapassando uma barreira conhecida como “limite de Eddington”. Este limite determina a quantidade de material que pode cair sobre um corpo como uma estrela ou um buraco negro antes que a radiação gerada por essa acreção empurre mais matéria para longe, esvaziando a despensa de gás e poeira do objeto central, cortando assim o seu fornecimento de alimentos.
Os períodos de superconsumo que desafiam esse limite são conhecidos como “acreção super-Eddington” e servem como o elo perdido entre os buracos negros que se formam quando estrelas massivas morrem em explosões de supernovas e monstruosos buracos negros supermassivos.
Buracos negros supermassivos com massas de milhões ou mesmo milhares de milhões de vezes a do Sol situam-se no coração de todas as grandes galáxias do universo moderno de 13,8 mil milhões de anos, o que não é nada difícil de explicar, pois tiveram muito tempo para crescer.
A questão é a descoberta de buracos negros supermassivos já 500 milhões de anos após o Big Bang, uma população que o JWST tem descoberto rotineiramente nos últimos três anos e meio. Isto porque se pensa que os processos de fusão e alimentação que se pensa permitirem aos buracos negros atingir o estatuto de supermassivos demoram pelo menos mil milhões de anos.
“É como ver uma família andando pela rua, e eles têm dois adolescentes de um metro e oitenta, mas também têm com eles uma criança de um metro e oitenta de altura”, disse John Regan, membro da equipe de pesquisa e cientista da Universidade de Maynooth, anteriormente ao Space.com. “Isso é um pouco problemático. Como a criança ficou tão alta? E o mesmo acontece com os buracos negros supermassivos no universo. Como eles ficaram tão massivos tão rapidamente?”
As simulações da equipe sugerem que um frenesi de alimentação super-Eddington poderia ter permitido que a primeira geração de buracos negros se empanturrasse do gás denso do cosmos primitivo para atingir massas dezenas de milhares de vezes maiores que a do Sol. Embora isso não nos leve a buracos negros supermassivos, fornece uma vantagem significativa no processo de fusão que veria buracos negros de tamanho crescente colidirem e se fundirem para dar origem a um buraco negro ainda mais massivo.
“Anteriormente, pensava-se que estes minúsculos buracos negros eram demasiado pequenos para se transformarem nos gigantescos buracos negros observados no centro das primeiras galáxias,” disse Mehta. “O que mostrámos aqui é que estes buracos negros primitivos, embora pequenos, são capazes de crescer de forma espetacularmente rápida, dadas as condições certas.”
A investigação da equipa poderá ajudar os cientistas a determinar se os primeiros buracos negros supermassivos começaram como “sementes leves”, com dez a algumas centenas de vezes a massa do nosso Sol, ou como “sementes pesadas”, com até 100.000 vezes a massa do Sol. Anteriormente, havia sido teorizado que apenas sementes pesadas seriam suficientemente massivas para facilitar o rápido crescimento de buracos negros supermassivos.
“Agora não temos tanta certeza”, disse Regan. “As sementes pesadas são um pouco mais exóticas e podem precisar de condições raras para se formarem. As nossas simulações mostram que a sua ‘variedade de jardim’ de buracos negros de massa estelar pode crescer a taxas extremas no Universo primitivo.”
A investigação da equipa não apenas sugere um novo caminho para o crescimento de buracos negros supermassivos, mas também mostra quão importantes são as simulações de alta resolução na nossa investigação do cosmos primitivo.
“O Universo primitivo é muito mais caótico e turbulento do que esperávamos, com uma população de buracos negros massivos muito maior do que prevíamos,” disse Regan.
Quanto à recolha de provas desta teoria, isso pode ser um trabalho não para o JWST ou qualquer outro dispositivo astronómico tradicional, mas para instrumentos concebidos para detectar as pequenas ondulações no espaço conhecidas como ondas gravitacionais que irradiam fusões como esta. De particular importância poderia ser o primeiro detector de ondas gravitacionais baseado no espaço, a Antena Espacial de Interferômetro Laser (LISA), uma articulação Agência Espacial Europeia/ Missão da NASA com lançamento previsto para 2035.
“As futuras observações de ondas gravitacionais dessa missão poderão ser capazes de detectar as fusões destes pequenos buracos negros, iniciais e de crescimento rápido”, concluiu Regan.
A pesquisa da equipe foi publicada na quarta-feira (21 de janeiro) na revista Astronomia da Natureza.
