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BURACOS NEGROS SUPERMASSIVOS POUCO DEPOIS DO BIG BANG: COMO OS "SEMEAR"
27 de março de 2020

 


Impressão de artista de um dos mais primitivos buracos negros supermassivos conhecidos (círculo preto central) no núcleo de uma jovem galáxia, rica em estrelas.
Crédito: NASA/JPL-Caltech

 

São milhares de milhões de vezes maiores que o nosso Sol: como é possível que, como observado recentemente, os buracos negros supermassivos já estivessem presentes quando o Universo, agora com quase 14 mil milhões de anos, tinha "apenas" 800 milhões de anos? Para os astrofísicos, a formação destes monstros cósmicos num tão curto espaço de tempo é uma verdadeira dor de cabeça científica, que levanta questões importantes sobre o conhecimento atual do desenvolvimento destes corpos celestes.

Um artigo publicado recentemente na revista The Astrophysical Journal, pelo estudante de doutoramento Lumen Boco e pela sua orientadora Andrea Lapi, do SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati), fornece uma possível explicação para esta difícil questão. Graças a um modelo original teorizado por cientistas de Trieste, Itália, o estudo propõe um processo muito rápido de formação nas fases iniciais do desenvolvimento dos buracos negros supermassivos, até agora consideradas mais lentas. Provando, matematicamente, que a sua existência era possível no jovem Universo, os resultados da investigação conciliam o tempo necessário para o seu desenvolvimento com os limites impostos pela idade do Cosmos.

A teoria pode ser totalmente validada graças a futuros detetores de ondas gravitacionais, como o Telescópio Einstein e o LISA, mas testada também em vários aspetos básicos com o atual sistema Advanced LIGO/Virgo.

O monstro cósmico que cresce no centro das galáxias

Os cientistas começaram o seu estudo com uma evidência observacional bem conhecida: o crescimento de buracos negros supermassivos ocorre nas regiões centrais das galáxias, progenitores das galáxias elípticas atuais, que tinham um conteúdo de gás muito alto e em que a formação estelar era extremamente intensa. "As maiores estrelas vivem pouco tempo e evoluem muito rapidamente para buracos negros estelares, tão grandes quanto várias dezenas de massas solares; são pequenos, mas nestas galáxias muitos formam-se."

O gás denso que os rodeia, explicam Boco e Lapi, tem um efeito definitivo muito poderoso de atrito dinâmico e faz com que migrem muito depressa para o centro da galáxia. A maioria dos inúmeros buracos negros que alcançam as regiões centrais fundem-se, criando a semente do buraco negro supermassivo. Boco e Lapi continuam: "De acordo com as teorias clássicas, um buraco negro supermassivo cresce no centro de uma galáxia capturando a matéria circundante, principalmente gás, 'cultivando-se' a ele próprio e finalmente devorando essa matéria a um ritmo proporcional à sua massa."

"Por esta razão, durante as fases iniciais do seu desenvolvimento, quando a massa do buraco negro é pequena, o crescimento é muito lento. Na medida em que, de acordo com os cálculos, para atingir a massa observada, milhares de milhões de vezes a do Sol, seria necessário um tempo muito longo, ainda maior do que a idade do Universo jovem." O seu estudo, no entanto, mostrou que as coisas podem desenvolver-se muito mais depressa.

A corrida louca dos buracos negros: o que os cientistas descobriram

"Os nossos cálculos numéricos mostram que o processo de migração dinâmica e fusão de buracos negros estelares pode fazer com que a semente do buraco negro supermassivo alcance uma massa entre 10.000 e 100.000 vezes a massa do Sol em apenas 50-100 milhões de anos." Neste ponto, dizem os cientistas, "o crescimento do buraco negro central de acordo com a acreção direta de gás, mencionada anteriormente e prevista pela teoria padrão, tornar-se-ia muito mais rápida, porque a quantidade de gás que conseguirá atrair e absorver tornar-se-ia imensa, e predominante no processo que propomos".

"No entanto, precisamente o fato de partir de uma semente tão grande, como previsto pelo nosso mecanismo, acelera o crescimento global do buraco negro supermassivo e permite a sua formação, também no Universo jovem. Em resumo, à luz desta teoria, podemos afirmar que 800 milhões de anos após o Big Bang, os buracos negros supermassivos já podiam povoar o Cosmos".

"Olhando" para o crescimento das sementes dos buracos negros supermassivos

O artigo, além de ilustrar o modelo e demonstrar a sua eficácia, também propõe um método de teste: "A fusão de vários buracos negros estelares com a semente do buraco negro supermassivo no centro produzirá ondas gravitacionais que esperamos ver e estudar com detetores atuais e futuros," explicam os investigadores.

Em particular, as ondas gravitacionais emitidas nas fases iniciais, quando a semente do buraco negro central ainda é pequena, serão identificáveis pelos detetores atuais Advanced LIGO/Virgo e totalmente caracterizáveis pelo futuro Telescópio Einstein. As fases subsequentes de desenvolvimento do buraco negro supermassivo podem ser investigadas graças ao futuro detetor LISA, com lançamento previsto para mais ou menos 2034. Desta forma, explicam Boco e Lapi, "o processo que propomos pode ser validado nas suas diferentes fases, de maneira complementar, pelos futuros detetores de ondas gravitacionais."

"Esta investigação," conclui Andrea Lapi, coordenadora do grupo de Astrofísica e Cosmologia do SISSA, "mostra como os estudantes e investigadores do nosso grupo estão a aproximar-se completamente da nova fronteira das ondas gravitacionais e da astronomia multimensageira. Em particular, o nosso principal objetivo será desenvolver modelos teóricos, como o desenvolvido neste caso, que servem para capitalizar as informações provenientes das experiências atuais e futuras de ondas gravitacionais, fornecendo assim soluções para problemas não resolvidos relacionados com a astrofísica, cosmologia e física fundamental."

 


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// SISSA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal)
// Artigo científico (arXiv.org)

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