Os astrônomos têm encontrado alguns buracos negros supermassivos extremamente antigos, que se formaram quando o Universo era bem jovem. Mas eles ficaram intrigados com a forma como um buraco negro poderia atingir um tamanho tão tremendo quando o próprio Universo era apenas uma criança pequena.
Os astrônomos descobriram agora que um conjunto único de condições estava presente meio bilhão de anos após o Big Bang, que permitiu a formação desses buracos negros monstruosos. Uma fonte incomum de radiação intensa criou o que é chamado de "buraco negro de colapso direto".
"É um milagre cósmico", disse Volker Bromm, da Universidade do Texas em Austin, que trabalhou com vários astrônomos na descoberta. "É a única vez na história do universo em que as condições são adequadas para que se formem."
O entendimento convencional de como os buracos negros se formam é chamado de teoria da acreção, onde uma estrela extremamente massiva entra em colapso e "sementes" de buracos negros são construídas a partir do colapso, puxando gás do ambiente e por fusões de buracos negros menores. Mas esse processo leva muito tempo, muito mais do que o tempo em que esses buracos negros se formavam rapidamente. Além disso, o universo primitivo não possuía as quantidades de gás e poeira necessárias para que os buracos negros supermassivos crescessem para seu tamanho gigantesco.
As novas descobertas sugerem que alguns dos primeiros buracos negros se formaram diretamente quando uma nuvem de gás colapsou, ultrapassando outras fases intermediárias, como a formação e subsequente destruição de uma estrela massiva.
Obviamente, como qualquer buraco negro, esses buracos negros de "colapso direto" não podem ser vistos. Mas havia fortes evidências de sua existência, pois são necessárias para alimentar os quasares altamente luminosos detectados no jovem universo. O grande brilho de um quasar vem da matéria espiralando em um buraco negro supermassivo, aquecendo a milhões de graus, criando jatos que brilham como faróis pelo Universo. Mas como a teoria da acreção não explica buracos negros supermassivos em um universo extremamente distante - e, portanto, jovem -, os astrônomos também não poderiam explicar os quasares. Isso foi chamado de "o problema da semente do quasar".
"Os quasares observados no universo primitivo se assemelham a bebês gigantes em uma sala de parto cheia de bebês normais", disse Avi Loeb, do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, que trabalhou com Bromm. “Fica-se pensando: o que há de especial no ambiente que nutriu esses bebês gigantes? Normalmente, o reservatório de gás frio nas galáxias próximas, como a Via Láctea, é consumido principalmente pela formação de estrelas. ”
Mas em 2003, Bromm e Loeb tiveram uma idéia teórica de fazer uma galáxia primitiva formar um buraco negro supermassivo de sementes, suprimindo a entrada de energia proibitiva da formação estelar. Eles chamaram o processo de "colapso direto".
"Comece com uma" nuvem primordial de hidrogênio e hélio, impregnada em um mar de radiação ultravioleta ", disse Bromm. “Você esmaga essa nuvem no campo gravitacional de um halo de matéria escura. Normalmente, a nuvem seria capaz de esfriar e se fragmentar para formar estrelas. No entanto, os fótons ultravioletas mantêm o gás quente, suprimindo qualquer formação de estrela. Estas são as condições quase milagrosas desejadas: colapso sem fragmentação! À medida que o gás se torna cada vez mais compacto, finalmente você tem as condições para um enorme buraco negro. ”
Esse conjunto de condições cósmicas parece ter existido apenas no universo primitivo, e esse processo não ocorre nas galáxias hoje.
Para testar sua teoria, Bromm, Loeb e seu colega Aaron Smith começaram a estudar uma galáxia chamada CR7, identificada por uma pesquisa do Telescópio Espacial Hubble chamada COSMOS como estando em torno de menos de 1 bilhão de anos após o Big Bang.
David Sobral, da Universidade de Lisboa, fez observações de acompanhamento do CR7 com alguns dos maiores telescópios terrestres do mundo, incluindo Keck e o VLT. Eles descobriram alguns recursos extremamente incomuns na assinatura de luz vinda do CR7. Especificamente, a linha de hidrogênio Lyman-alfa foi várias vezes mais brilhante que o esperado. Notavelmente, o espectro também mostrou uma linha de hélio excepcionalmente brilhante.
"O que quer que esteja dirigindo essa fonte é muito quente - quente o suficiente para ionizar hélio", disse Smith, cerca de 100.000 graus Celsius.
Essas e outras características incomuns do espectro significavam que poderia ser um aglomerado de estrelas primordiais ou um buraco negro supermassivo, provavelmente formado por colapso direto.
Smith realizou simulações para ambos os cenários e, enquanto o cenário do aglomerado de estrelas "espetacularmente falhou", disse Smith, o modelo de buraco negro de colapso direto teve bom desempenho.
Além disso, no início deste ano, pesquisadores usando dados combinados do Observatório de Raios-X Chandra, do Telescópio Espacial Hubble e do Telescópio Espacial Spitzer para identificar essas possíveis sementes de buracos negros. Eles encontraram dois objetos, ambos correspondendo ao perfil teórico nos dados infravermelhos. (leia o jornal deles aqui.)
Parece que os astrônomos estão "convergindo para esse modelo", disse Smith, por resolver o problema da semente do quasar e o enigma inicial do buraco negro.
Fique ligado.
O trabalho de Bromm, Loeb e Smith é publicado na revista Monthly Notices da Royal Astronomical Society.
Fontes:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, Comunicado de imprensa para a detecção pela NASA de buracos negros de colapso direto no início deste ano.
