O Telescópio Espacial James Webb (JWST) continua encontrando buracos negros supermassivos (SMBH) no Universo primitivo. Eles estão em núcleos galácticos ativos vistos apenas 500.000 anos após o Big Bang. Isso foi muito antes de os astrônomos pensarem que eles poderiam existir. O que está acontecendo?
Buracos negros monstruosos como os que ficam no coração das galáxias levam muito tempo para crescer tanto. Eles podem começar como buracos menores que devoram estrelas e gases próximos, ou podem crescer ao se fundir com outros buracos negros supermassivos. Isso normalmente leva bilhões de anos e muito material para se tornar algo tão massivo quanto o buraco de quatro milhões de massas solares no coração da nossa Via Láctea. É ainda mais longo para os realmente grandes que contêm dezenas de milhões de massas estelares.
O JWST avistou muitos SMBH que já parecem “velhos” e massivos menos de um bilhão de anos após o Big Bang. Não é um acaso observacional — eles estão realmente lá.
“Quão surpreendente foi encontrar um buraco negro supermassivo com uma massa de um bilhão de solares quando o universo em si tem apenas meio bilhão de anos”, disse o astrofísico Alexander Kusenko, professor de física e astronomia na UCLA. “É como encontrar um carro moderno entre ossos de dinossauro e se perguntar quem construiu aquele carro nos tempos pré-históricos.”
Construindo buracos negros supermassivos nos tempos antigos
Então, o que construiu SMBH tão cedo na história cósmica? Um processo óbvio é a morte das primeiras estrelas da População III que começaram a se formar assim que o Universo infantil esfriou o suficiente para que elas se fundissem. Elas eram massivas, pobres em metais (o que significa que não tinham elementos mais pesados que o hélio) e de vida curta. Quando morreram como supernovas, formaram buracos negros de massa estelar. É possível que essas primeiras tenham se fundido e ficado maiores.
Outra sugestão é um chamado colapso “gravo-térmico” de halos de matéria escura autointerativos. Isso basicamente significa uma transferência de calor negativa dentro de um sistema. Isso pode levar ao colapso de um buraco negro e, a partir daí, ele poderia ter crescido.
Os astrônomos também consideraram a participação de buracos negros primordiais criados nos momentos após o Big Bang. Esses buracos negros teóricos de baixa massa poderiam ter se formado sob condições especiais quando áreas densas do espaço colapsaram rapidamente. Como o SMBH se formou a partir de buracos negros primordiais não é compreendido no momento. Então, existe outra teoria de formação?
É aqui que a matéria escura entra em jogo. Kusenko e seus colegas se aprofundaram na ideia do colapso influenciado pela matéria escura. Eles descobriram que se a matéria escura decai, ela desempenha um papel no “encurralamento” de uma nuvem de gás hidrogênio. Ela não se fragmentaria (como as nuvens geralmente fazem). Eventualmente, isso poderia levar à formação relativamente rápida de um SMBH. Como há evidências da influência da matéria escura no Universo primitivo, isso poderia explicar os buracos negros monstruosos nas primeiras épocas da história cósmica.
Da formação de nuvens à formação de buracos negros via matéria escura?
Claro, as condições precisam ser perfeitas para que isso aconteça. “A rapidez com que o gás esfria tem muito a ver com a quantidade de hidrogênio molecular”, disse o estudante de doutorado Yifan Lu, o primeiro autor de um artigo descrevendo a ideia da matéria escura. “Átomos de hidrogênio ligados em uma molécula dissipam energia quando encontram um átomo de hidrogênio solto. As moléculas de hidrogênio se tornam agentes de resfriamento à medida que absorvem energia térmica e a irradiam para longe. Nuvens de hidrogênio no universo primitivo tinham muito hidrogênio molecular, e o gás esfriava rapidamente e formava pequenos halos em vez de grandes nuvens.”
Certa radiação pode destruir o hidrogênio molecular. Isso cria condições que impedem a fragmentação da nuvem. A radiação pode vir de algum lugar, e Lu e outros sugerem uma ideia interessante em seu artigo. Eles afirmam que há um possível “espaço de parâmetros” onde partículas de decaimento de relíquias podem emitir radiação que estimularia o colapso. Entre outras coisas, eles propõem uma partícula de matéria escura “semelhante a um axion” decaindo e estimulando a eventual coalescência de uma nuvem de hidrogênio em um SMBH.
Mistérios da Matéria Escura e SMBH precisam de respostas
A matéria escura em si é uma “coisa” misteriosa que compõe uma parte muito grande da “coisa” do Universo. Sabemos sobre ela por seus efeitos gravitacionais nos objetos que podemos ver (chamados de matéria bariônica). A forma que a matéria escura assume não é compreendida, no entanto. Ela pode ser feita de partículas que decaem lentamente, ou pode ser feita de mais de uma espécie de partícula. Algumas podem ser estáveis, outras podem decair em tempos iniciais. Em ambos os casos, o produto da decadência pode ser radiação na forma de fótons, que quebram o hidrogênio molecular e impedem que as nuvens de hidrogênio esfriem muito rapidamente. Mesmo a decadência muito suave da matéria escura produziu radiação suficiente para impedir o resfriamento, formando grandes nuvens e, eventualmente, buracos negros supermassivos.
Claro, essa ideia não foi comprovada. No entanto, a equipe aponta que a decadência dessas partículas de matéria escura pode emitir luz tanto no espectro óptico quanto no ultravioleta. Isso pode explicar as medições muito precisas do “fundo óptico cósmico” (COB) visto pelo instrumento LORRI da New Horizons. O COB é um fundo de luz visível aproximadamente análogo ao fundo cósmico de micro-ondas. Pense nisso como a soma de todas as emissões de objetos além da Via Láctea. Sua presença permite que os astrônomos diagnostiquem e entendam as emissões de todos os objetos astrofísicos. Ainda há muito a estudar e entender sobre esses possíveis áxions (se eles constituem a matéria escura).
Para maiores informações
Matéria escura pode ter ajudado a criar buracos negros supermassivos no universo primitivo
Colapso direto de buracos negros supermassivos devido à decomposição de partículas relíquias
Pré-impressão de papel
