Cientistas descobriram o segredo do nascimento dos buracos negros mais antigos do universo

Leva muito tempo para um buraco negro supermassivo crescer, mesmo que coma vorazmente. Então, como buracos negros supermassivos que são bilhões de vezes mais pesados ​​que o Sol se formaram durante os primeiros bilhões de vida do universo sempre foi um mistério.

Mas um novo trabalho de uma equipe internacional de cosmólogos sugere uma resposta: correntes de matéria fria, formadas por misteriosa matéria escura, alimentam buracos negros com uma força nascida da morte de protoestrelas gigantes.

“Existe uma receita para criar um buraco negro de 100.000 massas solares no nascimento, uma estrela primordial de 100.000 massas solares”, disse Daniel Wallen, cosmólogo da Universidade de Portsmouth. independente. “No universo de hoje, os únicos buracos negros que descobrimos são todos formados a partir do colapso de estrelas massivas. Isso significa que a massa mínima de um buraco negro deve ser de pelo menos três a quatro massas solares.”

Mas a baía é enorme entre uma estrela de massa 4 massas solares e uma estrela de massa de 100.000 massas solares, uma estrela “gigante” que, se centrada em torno do sol, se estenderia até a órbita de Plutão. Dr. Wallen disse que nos últimos 20 anos, grande parte da pesquisa sobre quasares no universo primitivo – centros de galáxias muito brilhantes alimentadas por buracos negros supermassivos – se concentrou no conjunto de condições que permitiriam a formação de tais uma estrela primordial massiva.

Mas em novo papel Publicado na revista temperar a naturezaWallen e colegas usaram modelagem de supercomputador da evolução cósmica para mostrar que, em vez de evoluir a partir de um conjunto muito especial de condições, protoestrelas extremamente gigantes se formam e colapsam em quasares “sementes” muito naturalmente a partir de um conjunto de condições primordiais que, embora ainda raras, Relativamente falando , é muito menos sensível. E tudo começa com a matéria escura.

“Se você olhar para o conteúdo total, vamos chamá-lo de conteúdo total de energia em massa do universo, 3% dele na forma de matéria que entendemos” – uma substância feita de prótons, nêutrons, elétrons, hidrogênio, hélio e assim por diante , disse o Dr. Wallen. Mas “24% está na forma de matéria escura, e sabemos que está lá por causa do movimento de galáxias e aglomerados de galáxias, mas não sabemos o que é”.

Isso significa que a matéria escura só interage com a matéria comum por meio da gravidade, e é a gravidade da matéria escura que criou a maior estrutura do universo: a teia cósmica. Dr. Wallen disse que no início do universo, vastas faixas de matéria escura colapsaram em longos filamentos sob seu próprio peso, arrastando a matéria normal com ela, formando uma teia de filamentos e suas junções.

Galáxias e estrelas eventualmente se formam dentro dos filamentos e, em particular, nas interseções ricas em matéria dos filamentos.

“Nós os chamamos de halos, halos cósmicos, e achamos que as estrelas primordiais se formaram lá primeiro”, disse Wallen sobre as interseções.

O pensamento anterior pensava que para formar uma estrela primordial grande o suficiente para dar origem a um buraco negro supermassivo e criar um quasar durante os primeiros bilhões de anos do universo, a coroa precisaria crescer para dimensões gigantescas sob condições especiais: nenhuma outra estrela tão próxima , formando hidrogênio molecular para manter o gás mais frio, fluxo de gás supersônico para manter a corona turbulenta. Enquanto a aura fosse fria e turbulenta o suficiente, não poderia se manter unida o suficiente para acender como uma estrela, prolongando sua fase de crescimento até que finalmente nascesse de tamanho gigantesco.

Uma vez que uma estrela massiva se inflama, vive sua vida, queima e colapsa em um buraco negro, disse Wallen, ela deve ter acesso a grandes quantidades de gás para crescer exponencialmente, “porque a maneira como um buraco negro cresce é engolir gás.”

Mas, em vez de exigir condições bem ajustadas para a formação de uma estrela supermassiva e, eventualmente, um buraco negro supermassivo, as simulações de Wallen e colegas sugerem que o fluxo de gás frio em um halo de filamentos de matéria escura que define a teia cósmica poderia substituir o abundância. Um fator necessário para a formação de estrelas primordiais em modelos antigos.

“Se os fluxos de acreção de frio estão alimentando o crescimento desses halos, eles devem estar bombardeando esses halos”, disse Wallen, atingindo-os com tanto gás tão rapidamente que a turbulência pode impedir que os gases entrem em colapso e formem uma estrela primordial. “

Quando eles simularam uma coroa alimentada por correntes de acreção fria, os pesquisadores viram duas estrelas primordiais massivas se formando, uma do tamanho de 31.000 sóis e outra do tamanho de 40.000 sóis. Sementes de buracos negros supermassivos.

“Foi lindamente simples. O problema de 20 anos acabou da noite para o dia”, disse Wallen. Sempre que você tem correntes frias bombeando gás em um halo para a teia cósmica, “você vai ter muita turbulência, e você ‘vai ter uma formação estelar massiva e uma formação massiva de sementes produzindo uma semente de quasar gigante.”

Ele acrescentou que é uma descoberta que corresponde ao número de quasares observados até agora no início do universo, observando que grandes halos naquela era inicial são raros, assim como os quasares.

Mas o novo trabalho é uma simulação, e os cientistas querem realmente monitorar a formação do universo quasar inicial na natureza. Novos instrumentos, como o Telescópio Espacial James Webb, podem tornar isso realidade em breve.

“Webb seria forte para ver um”, disse Wallen, e provavelmente assistiu ao nascimento de buracos negros dentro de um milhão ou dois milhões de anos após o Big Bang.