Um dos mistérios mais antigos da astronomia é compreender como os buracos negros ficaram tão grandes em tão curto espaço de tempo. Os cientistas sabem há muito tempo que buracos negros supermassivos existiam no Universo numa época incrivelmente antiga, mas como é que atingiram tamanhos tão enormes ainda não está claro. Agora, pesquisadores da Universidade Maynooth (MU) da Irlanda relatam uma explicação inovadora em um novo estudo publicado em Astronomia da natureza.
Segundo a equipe, a resposta está nas condições extremas e caóticas do universo primitivo.
“Descobrimos que as condições caóticas que existiam no Universo primitivo fizeram com que os primeiros buracos negros mais pequenos evoluíssem para os buracos negros supermassivos que vemos mais tarde, após um frenesim que devorou o material à sua volta,” diz Daxal Mehta, PhD em física na Universidade de Maynooth e principal autor do estudo.
Crescimento rápido após o Big Bang
Usando simulações computacionais de última geração, os pesquisadores reconstruíram como os primeiros buracos negros se comportaram logo após sua formação.
“Mostrámos, utilizando simulações computacionais de última geração, que a primeira geração de buracos negros – aqueles que nasceram apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang – cresceu incrivelmente rápido, dezenas de milhares de vezes maior que o nosso Sol.”
Estes resultados ajudam a explicar as observações intrigantes feitas pelo Telescópio Espacial James Webb, que descobriu buracos negros massivos que existem muito antes do que muitas teorias previam.
“Esta descoberta resolve um dos grandes mistérios da astronomia”, diz o Dr. Lewis Prowl, pós-doutorado da MU e membro da equipe de pesquisa. “Foi assim que os buracos negros nascidos no Universo primitivo, observados pelo Telescópio Espacial James Webb, conseguiram atingir tamanhos supermassivos tão rapidamente.”
Buraco negro alimentando loucura
As simulações apontam para as primeiras galáxias densas e ricas em gás como um dos principais impulsionadores deste rápido crescimento. Nestes ambientes, os buracos negros experimentaram surtos curtos mas intensos de crescimento num processo conhecido como “acreção super-Eddington”. Isso acontece quando um buraco negro atrai matéria mais rápido do que a física normal sugeriria.
Em condições normais, a radiação do material em queda repele o gás. No entanto, no Universo primitivo, os buracos negros continuaram de alguma forma a alimentar-se apesar desta limitação, permitindo-lhes ganhar massa a um ritmo extraordinário.
Este processo parece fornecer um elo perdido há muito tempo entre as primeiras estrelas do Universo e os buracos negros supermassivos mais tarde vistos nos centros das galáxias.
Repensando a origem dos buracos negros
“Anteriormente, pensava-se que estes minúsculos buracos negros eram demasiado pequenos para se transformarem em buracos negros gigantes observados nos centros das primeiras galáxias,” diz Daxal Mehta. “O que mostrámos aqui é que estes buracos negros primitivos, embora pequenos, são capazes de crescer extremamente rápido nas condições certas.”
Os astrônomos classificam os primeiros buracos negros em duas categorias gerais conhecidas como tipos de “sementes pesadas e leves”. Os buracos negros leves começam com massas relativamente modestas, variando de cerca de dez a várias centenas de massas do nosso Sol. Para se tornarem supermassivos, devem crescer dramaticamente ao longo do tempo, atingindo eventualmente milhões de massas solares.
Pelo contrário, acredita-se que buracos negros embrionários pesados já formam buracos grandes, pesando potencialmente até cem mil vezes a massa do Sol no nascimento.
Desafiando suposições de longa data
Até agora, muitos cientistas acreditavam que apenas buracos negros supermassivos poderiam explicar a presença de buracos negros supermassivos no universo primitivo.
“No momento, não temos tanta certeza”, diz o Dr. John Regan, do Departamento de Física da MU e líder da equipe de pesquisa. “As sementes pesadas são mais exóticas e podem necessitar de condições raras para se formarem. As nossas simulações mostram que os buracos negros da sua ‘variedade de jardim’ de massa estelar poderiam crescer a taxas extraordinárias no Universo primitivo.”
As descobertas sugerem que o cosmos inicial era muito mais turbulento e produtivo no que diz respeito à formação de buracos negros massivos do que se pensava anteriormente.
“O Universo primitivo é muito mais caótico e turbulento do que esperávamos, com uma população de buracos negros massivos muito maior do que esperávamos,” diz o Dr.
Implicações para futuras missões espaciais
Além de mudar as teorias sobre a formação de buracos negros, a pesquisa também tem implicações para futuros observatórios espaciais. Em particular, pode afectar o que os cientistas esperam da missão conjunta da Agência Espacial Europeia e da Antena Espacial de Interferómetro Laser (LISA) da NASA, com lançamento previsto para 2035.
“As observações futuras de ondas gravitacionais realizadas por esta missão podem revelar a fusão destes pequenos buracos negros, precoces e de rápida acumulação,” diz o Dr.
Estes detectores oferecem uma nova forma poderosa de estudar os primeiros buracos negros do Universo e confirmar se estes cenários de rápido crescimento são consistentes com o que as simulações mostram.
