A formação dos buracos negros supermassivos, como o que se encontra no centro da nossa Galáxia, a Via Láctea, é muito demorada. Normalmente, o nascimento de um buraco negro requer que uma estrela gigante com a massa de pelo menos algumas vezes a do Sol esgote o seu combustível nuclear - um processo que pode demorar mil milhões de anos - e que o seu núcleo colapse sobre si próprio.

Mesmo assim, o buraco negro resultante está muito longe do buraco negro com 4 milhões de massas solares, Sagitário A*, situado no centro da Via Láctea, ou dos buracos negros supermassivos com milhares de milhões de massas solares encontrados noutras galáxias. Estes buracos negros gigantescos podem formar-se a partir de buracos negros mais pequenos, por acreção de gás e estrelas e por fusão com outros buracos negros, o que demora milhares de milhões de anos.

Por que razão, então, o Telescópio Espacial James Webb está a descobrir buracos negros supermassivos perto do início dos tempos, éones antes de se poderem formar? Os astrofísicos da UCLA (University of California Los Angeles) têm uma resposta tão misteriosa como os próprios buracos negros: a matéria escura impediu que o hidrogénio arrefecesse o tempo suficiente para que a gravidade o condensasse em nuvens suficientemente grandes e densas para se transformarem em buracos negros em vez de estrelas. A descoberta foi publicada na revista Physical Review Letters.

"Como foi surpreendente encontrar um buraco negro supermassivo com mil milhões de vezes a massa do Sol quando o próprio Universo tinha apenas 500 milhões de anos", disse o autor sénior Alexander Kusenko, professor de física e astronomia na UCLA. "É como encontrar um carro moderno no meio de ossos de dinossauro e perguntar quem é que construiu esse carro na pré-história".

Alguns astrofísicos têm postulado que uma grande nuvem de gás pode colapsar para formar diretamente um buraco negro supermassivo, contornando a longa história de combustão estelar, acreção e fusões. Mas há um senão: a gravidade vai, de facto, juntar uma grande nuvem de gás, mas não numa única nuvem. Em vez disso, junta secções de gás em pequenos halos que flutuam perto uns dos outros, mas não formam um buraco negro.

A razão é que a nuvem de gás arrefece demasiado depressa. Enquanto o gás estiver quente, a sua pressão pode contrariar a gravidade. No entanto, se o gás arrefecer, a pressão diminui e a gravidade pode triunfar em muitas pequenas regiões, que colapsam em objetos densos antes da gravidade ter a oportunidade de puxar toda a nuvem para um único buraco negro.

Uma imagem do Telescópio James Webb mostra o quasar J0148 no círculo vermelho. Duas inserções mostram, em cima, o buraco negro central e, em baixo, a emissão estelar da galáxia hospedeira. Crédito: MIT, NASA

"A rapidez com que o gás arrefece tem muito a ver com a quantidade de hidrogénio molecular", disse o primeiro autor e estudante de doutoramento Yifan Lu. "Os átomos de hidrogénio ligados entre si numa molécula dissipam energia quando encontram um átomo de hidrogénio solto. As moléculas de hidrogénio tornam-se agentes de arrefecimento ao absorverem energia térmica e ao irradiá-la. As nuvens de hidrogénio no início do Universo tinham demasiado hidrogénio molecular e o gás arrefeceu rapidamente, formando pequenos halos em vez de grandes nuvens".

Lu e o investigador de pós-doutoramento Zachary Picker escreveram um código para calcular todos os processos possíveis deste cenário e descobriram que a radiação adicional pode aquecer o gás e dissociar as moléculas de hidrogénio, alterando a forma como o gás arrefece.

"Se adicionarmos radiação numa determinada gama de energia, esta destrói o hidrogénio molecular e cria condições que impedem a fragmentação de grandes nuvens", disse Lu.

Mas qual a origem da radiação?

Apenas uma ínfima parte da matéria do Universo é do tipo que compõe os nossos corpos, o nosso planeta, as estrelas e tudo o mais que podemos observar. A grande maioria da matéria, detetada pelos seus efeitos gravitacionais em objetos estelares e pela curvatura da luz de fontes distantes, é feita de algumas partículas novas, que os cientistas ainda não identificaram.

As formas e propriedades da matéria escura são, portanto, um mistério que continua por resolver. Embora não saibamos o que é a matéria escura, os teóricos de partículas há muito que especulam que pode conter partículas instáveis que podem decair em fotões, as partículas de luz. A inclusão dessa matéria escura nas simulações forneceu a radiação necessária para que o gás permanecesse numa grande nuvem enquanto colapsava num buraco negro.

A matéria escura pode ser feita de partículas que decaem lentamente, ou pode ser feita de mais do que uma espécie de partícula: algumas estáveis e outras que decaem em momentos precoces. Em qualquer dos casos, o produto do decaimento pode ser radiação sob a forma de fotões, que quebram o hidrogénio molecular e evitam que as nuvens de hidrogénio arrefeçam demasiado depressa. Mesmo um decaimento muito ligeiro da matéria escura produziu radiação suficiente para impedir o arrefecimento, formando grandes nuvens e, eventualmente, buracos negros supermassivos.

"Isto pode ser a solução para o facto de os buracos negros supermassivos serem encontrados muito cedo", disse Picker. "Se formos otimistas, também podemos ler isto como uma evidência positiva de um tipo de matéria escura. Se estes buracos negros supermassivos se formaram pelo colapso de uma nuvem de gás, talvez a radiação adicional necessária tivesse de vir da física desconhecida do 'sector escuro'".

// UCLA (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Physical Review Letters)
// Artigo científico (arXiv.org)

Quer saber mais?

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

Matéria escura:
Wikipedia