Um dos enigmas mais antigos da astronomia é entender como os buracos negros cresceram tanto em um curto espaço de tempo cósmico. Os cientistas já sabiam há muito tempo que buracos negros supermassivos existiram surpreendentemente cedo no universo, mas como eles alcançaram esses tamanhos enormes continua sendo um mistério. Agora, pesquisadores da Universidade de Maynooth, na Irlanda, relatam uma explicação inovadora em um novo estudo publicado na Nature Astronomy.
Segundo a equipe, a resposta está nas condições extremas e caóticas do início do universo.
“Descobrimos que as condições caóticas que existiam no início do universo provocaram um crescimento acelerado dos buracos negros menores, que evoluíram para os buracos negros supermassivos que vemos mais tarde, em uma espécie de frenesi de alimentação que devorou material ao redor deles”, diz Daxal Mehta, candidato a PhD no Departamento de Física da Universidade de Maynooth e autor principal do estudo.
Crescimento Rápido Após o Big Bang
Usando simulações computacionais avançadas, os pesquisadores reconstruíram o comportamento dos primeiros buracos negros logo após sua formação.
“Revelamos, utilizando simulações computacionais de ponta, que a primeira geração de buracos negros – aqueles formados apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang – cresceu de forma incrivelmente rápida, alcançando tamanhos de dezenas de milhares de vezes a massa do nosso Sol.”
Esses resultados ajudam a explicar observações perturbadoras feitas pelo Telescópio Espacial James Webb, que detectou buracos negros massivos existindo muito antes do que muitas teorias previam.
“Esse avanço desbloqueia um dos grandes enigmas da astronomia”, afirma Dr. Lewis Prole, um bolsista de pós-doutorado da MU e membro da equipe de pesquisa. “Isso se refere a como os buracos negros formados no início do universo, como observado pelo Telescópio Espacial James Webb, conseguiram atingir tamanhas massas supermassivas tão rapidamente.”
Um Frenesi de Alimentação de Buracos Negros
As simulações indicam que galáxias iniciais densas e ricas em gás foram o motor principal desse crescimento rápido. Nesses ambientes, os buracos negros experimentaram períodos curtos, mas intensos de crescimento por meio de um processo conhecido como ‘acrecção super Eddington’. Isso ocorre quando um buraco negro puxa matéria mais rápido do que a física convencional sugere que deveria ser capaz de fazer.
Em condições normais, a radiação do material em queda empurraria o gás para longe. No entanto, no início do universo, os buracos negros conseguiram continuar se alimentando, permitindo-lhes ganhar massa em taxas extraordinárias.
Esse processo parece fornecer uma conexão há muito faltante entre as primeiras estrelas do universo e os buracos negros supermassivos vistos mais tarde nos centros das galáxias.
Repensando as Origens dos Buracos Negros
“Esses pequenos buracos negros eram anteriormente considerados muito pequenos para se transformarem nos enormes buracos negros observados no centro das galáxias iniciais”, diz Daxal Mehta. “O que mostramos aqui é que esses buracos negros iniciais, embora pequenos, são capazes de crescer de forma espetacularmente rápida, dadas as condições certas.”
Os astrônomos classificam os buracos negros iniciais em duas categorias gerais conhecidas como ‘sementes pesadas’ e ‘sementes leves’. Os buracos negros de sementes leves começam com massas relativamente modestas, variando de cerca de dez a algumas centenas de vezes a massa do nosso Sol. Para se tornarem supermassivos, eles devem crescer drasticamente ao longo do tempo, eventualmente alcançando milhões de massas solares.
Os buracos negros de sementes pesadas, por outro lado, são considerados já grandes ao se formarem, podendo pesar até cem mil vezes a massa do Sol ao nascer.
Desafiando Suposições Antigas
Até agora, muitos cientistas acreditavam que apenas os buracos negros de sementes pesadas poderiam explicar a presença de buracos negros supermassivos no universo primitivo.
“Agora, não temos tanta certeza”, diz Dr. John Regan, do Departamento de Física da MU e líder do grupo de pesquisa. “As sementes pesadas são um pouco mais exóticas e podem precisar de condições raras para se formarem. Nossas simulações mostram que os buracos negros de massa estelar ‘comuns’ podem crescer em taxas extremas no início do universo.”
As descobertas sugerem que o cosmos primitivo era muito mais turbulento e produtivo em termos de formação de buracos negros massivos do que se pensava anteriormente.
“O universo inicial é muito mais caótico e turbulento do que esperávamos, com uma população muito maior de buracos negros massivos do que antecipamos”, afirma Dr. Regan.
Implicações para Futuras Missões Espaciais
Além de remodelar teorias sobre a formação de buracos negros, a pesquisa também tem implicações para os próximos observatórios espaciais. Em particular, pode influenciar o que os cientistas esperam ver da missão Laser Interferometer Space Antenna (LISA), da Agência Espacial Européia e da NASA, programada para ser lançada em 2035.
“Futuras observações de ondas gravitacionais dessa missão podem ser capazes de detectar as fusões desses pequenos buracos negros iniciais que estão crescendo rapidamente”, diz Dr. Regan.
Tais detecções ofereceriam uma nova maneira poderosa de estudar os primeiros buracos negros do universo e confirmar se esses cenários de crescimento rápido ocorreram conforme as simulações sugerem.