Os buracos negros supermassivos, ou SMBHs, são buracos negros com massas de vários milhões a bilhões de vezes a massa do nosso sol. A Via Láctea hospeda um SMBH com massa alguns milhões de vezes a massa solar. Surpreendentemente, observações astrofísicas mostram que SMBHs já existiam quando o universo era muito jovem. Por exemplo, um bilhão de buracos negros de massa solar são encontrados quando o universo tinha apenas 6% de sua idade atual, 13,7 bilhões de anos. Como essas SMBHs no início do universo se originam?
Uma equipe liderada por um físico teórico da Universidade da Califórnia, em Riverside, apresentou uma explicação: um enorme buraco negro originado pelo colapso de um halo de matéria escura poderia produzir.
Halo de matéria escura é o halo de matéria invisível que envolve uma galáxia ou um aglomerado de galáxias. Embora a matéria escura nunca tenha sido detectada em laboratórios, os físicos continuam confiantes de que essa matéria misteriosa que constitui 85% da matéria do universo existe. Se a matéria visível de uma galáxia não estivesse incrustada em um halo de matéria escura, essa matéria se dispersaria.
“Os físicos estão intrigados por que SMBHs no universo inicial, que estão localizados nas regiões centrais dos halos de matéria escura, crescem tão maciçamente em um curto período de tempo”, disse Hai-Bo Yu, professor associado de física e astronomia na UC Riverside, que liderou o estudo que aparece no Astrophysical Journal Letters. “É como uma criança de 5 anos que pesa, digamos, 100 Kg. Essa criança nos surpreenderia porque sabemos o peso típico de um bebê recém-nascido e como esse bebê pode crescer rápido. Onde se trata de buracos negros, os físicos têm expectativas gerais sobre a massa de um buraco negro semente e sua taxa de crescimento. A presença de SMBHs sugere que essas expectativas gerais foram violadas, exigindo novos conhecimentos. E isso é emocionante. ”
Um buraco negro semente é um buraco negro em seu estágio inicial – semelhante ao estágio do bebê na vida de um ser humano.
“Podemos pensar em duas razões”, acrescentou Yu. “O buraco negro semente – ou ‘bebê’ – ou é muito mais massivo ou cresce muito mais rápido do que pensávamos, ou ambos. A questão que então surge é quais são os mecanismos físicos para produzir um buraco negro semente massivo o suficiente ou alcançar um taxa de crescimento rápida o suficiente? ”
“Leva tempo para os buracos negros se tornarem massivos por acúmulo de matéria circundante”, disse o co-autor Yi-Ming Zhong, pesquisador de pós-doutorado no Instituto Kavli de Física Cosmológica da Universidade de Chicago. “Nosso artigo mostra que se a matéria escura tem auto-interações, então o colapso gravotérmico de um halo pode levar a um buraco negro de sementes massivo o suficiente. Sua taxa de crescimento seria mais consistente com as expectativas gerais.”
Na astrofísica, um mecanismo popular usado para explicar as SMBHs é o colapso do gás puro em protogaláxias no início do universo.
“Este mecanismo, no entanto, não pode produzir um buraco negro semente massivo o suficiente para acomodar SMBHs recentemente observados – a menos que o buraco negro semente experimente uma taxa de crescimento extremamente rápida”, disse Yu. “Nosso trabalho fornece uma explicação alternativa: um halo de matéria escura auto-interagente experimenta instabilidade gravotérmica e sua região central colapsa em um buraco negro semente.”
A explicação que Yu e seus colegas propõem funciona da seguinte maneira:
As partículas de matéria escura primeiro se aglomeram sob a influência da gravidade e formam um halo de matéria escura. Durante a evolução do halo, duas forças concorrentes – gravidade e pressão – operam. Enquanto a gravidade puxa as partículas de matéria escura para dentro, a pressão as empurra para fora. Se as partículas de matéria escura não têm interações próprias, então, à medida que a gravidade as puxa em direção ao halo central, elas se tornam mais quentes, isto é, se movem mais rápido, a pressão aumenta efetivamente e elas se recuperam. No entanto, no caso da matéria escura auto-interagente, as auto-interações da matéria escura podem transportar o calor dessas partículas “mais quentes” para as próximas mais frias. Isso torna difícil para as partículas de matéria escura se recuperarem.
Yu explicou que o halo central, que entraria em colapso em um buraco negro, tem momento angular, o que significa que ele gira. As auto-interações podem induzir viscosidade, ou “fricção”, que dissipa o momento angular. Durante o processo de colapso, o halo central, que tem uma massa fixa, encolhe em raio e diminui em rotação devido à viscosidade. Conforme a evolução continua, o halo central eventualmente entra em colapso em um estado singular: um buraco negro semente. Esta semente pode crescer mais maciça por acréscimo de matéria bariônica – ou visível – circundante, como gás e estrelas.
“A vantagem do nosso cenário é que a massa do buraco negro semente pode ser alta, uma vez que é produzida pelo colapso de um halo de matéria escura”, disse Yu. “Portanto, ele pode se transformar em um buraco negro supermassivo em uma escala de tempo relativamente curta.”
O novo trabalho é novo, pois os pesquisadores identificam a importância dos bárions – partículas atômicas e moleculares comuns – para que essa ideia funcione.
“Primeiro, mostramos que a presença de bárions, como gás e estrelas, pode acelerar significativamente o início do colapso gravotérmico de um halo e um buraco negro semente poderia ser criado a tempo”, disse Wei-Xiang Feng, estudante de graduação de Yu e um co-autor no artigo. “Em segundo lugar, mostramos que as auto-interações podem induzir a viscosidade que dissipa o momento angular remanescente do halo central. Terceiro, desenvolvemos um método para examinar a condição para desencadear a instabilidade relativística geral do halo colapsado, o que garante que um buraco negro semente poderia formulário se a condição for satisfeita. ”
Durante a última década, Yu explorou novas previsões de auto-interações da matéria escura e suas consequências observacionais. Seu trabalho mostrou que a matéria escura auto-interagente pode fornecer uma boa explicação para o movimento observado de estrelas e gás nas galáxias.
“Em muitas galáxias, estrelas e gás dominam suas regiões centrais”, disse ele. “Assim, é natural perguntar como a presença dessa matéria bariônica afeta o processo de colapso. Mostramos que vai acelerar o início do colapso. Esse recurso é exatamente o que precisamos para explicar a origem dos buracos negros supermassivos no início do universo . As auto-interações também levam à viscosidade que pode dissipar o momento angular do halo central e ajudar ainda mais no processo de colapso. ”
O artigo de pesquisa é intitulado “Semeando buracos negros supermassivos com matéria escura que interage com si mesmo: um cenário unificado com bárions”.
Publicado em 21/06/2021 10h09
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