E o Telescópio Espacial James Webb da NASA pode ser capaz de detectar essas assinaturas fracas.
Os maiores buracos negros do universo formaram-se com uma rapidez surpreendente, quando o cosmos tinha menos de um bilhão de anos. Isso foi tão cedo que esses buracos negros podem não ter se formado a partir da morte de estrelas massivas, como algumas teorias propõem, mas, em vez disso, podem ter se originado no primeiro segundo do Big Bang.
Para testar essa possibilidade, uma equipe de astrofísicos propôs uma ideia radical: os elementos ao redor desses buracos negros gigantes podem ser sutilmente diferentes da média cósmica, mantendo uma memória relíquia do jovem universo.
Grande demais para falhar
Como o nome sugere, os buracos negros supermassivos (SMBHs) são gigantescos. Os menores são milhões de vezes mais massivos que o Sol, e os maiores – encontrados no centro de enormes galáxias – atingem centenas de bilhões de massas solares. Encontrar esses buracos negros gigantes no universo moderno não é uma grande surpresa, já que esses buracos negros tiveram bilhões de anos para devorar gás e poeira (e outros buracos negros).
Mas recentemente, os astrônomos começaram a detectar SMBHs no início do universo. Já conhecemos mais de 200 SMBHs que existiam quando o universo era menor que um bilhão de anos e um SMBH que se formou quando o universo tinha menos de 700 milhões de anos.
Isso significa que eles se formaram rapidamente. Muito rápido. Nós entendemos como os buracos negros se formam na era atual. Quando uma estrela gigante morre, ela deixa para trás um buraco negro com algumas dezenas de vezes a massa do sol. Esse buraco negro se alimenta de seu material circundante, encontra outros buracos negros e se funde com eles e, se tiver sorte, eventualmente ganha status de supermassivo.
O problema é que esses processos demoram. Quando o universo tinha menos de um bilhão de anos, as primeiras estrelas e galáxias estavam apenas começando a se formar. Gerar SMBHs no tempo apertado necessário estende os limites dos processos astrofísicos conhecidos.
Uma origem primordial
Então, talvez as SMBHs no universo não tenham se originado de processos astrofísicos normais, como a morte de estrelas e uma dieta constante de gás. Talvez esses buracos negros gigantes tenham se originado nos momentos iniciais do Big Bang.
O universo primitivo era um lugar extremo. As densidades e pressões eram altas o suficiente para fundir as forças fundamentais da natureza em campos unificados. Nos primeiros segundos, estava quente demais para que os prótons e nêutrons congelassem antes de se separarem. Naqueles tempos tumultuados, pode ter sido possível que contrastes de densidade extrema aparecessem espontaneamente. E onde há contrastes de densidade extremos – onde uma grande quantidade de massa se amontoa em um volume muito pequeno – podem se formar buracos negros.
Esses são os chamados buracos negros primordiais, que provavelmente se formaram por meio de interações exóticas no Big Bang. Os astrônomos passaram décadas procurando por eles, especialmente por meio de sondas como a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a luz que sobrou de quando o universo tinha 380.000 anos. Todas essas buscas resultaram vazias, descartando quase todos os modelos de formação de buracos negros primordiais.
A palavra-chave é “quase”. Uma classe de buraco negro primordial é potencialmente permitida por observações: buracos negros com cerca de 100.000 vezes a massa do Sol que se formou no primeiro segundo do Big Bang. Esses buracos negros devorariam rapidamente qualquer matéria circundante, empanturrando-se até se tornarem os SMBHs que observamos no jovem cosmos.
Mas como poderíamos dizer a diferença entre buracos negros gigantes astrofísicos e primordiais?
Algo tem um gosto engraçado
A resposta, propõe uma equipe de astrofísicos em um artigo publicado no servidor de pré-impressão arXiv, é encarar os buracos negros com muita, muita força.
O truque é que os buracos negros primordiais não ficavam apenas lá no universo infantil, cuidando da própria vida; eles interagiam e afetavam seus arredores. É assim que podemos descartar muitos modelos, porque eles perturbariam tanto o plasma quente do Big Bang que distorceriam nossas observações.
Buracos negros primordiais com massas de 100.000 sóis teriam, ironicamente, um efeito muito mais sutil. Não haveria o suficiente deles para perturbar seriamente a física do universo primordial, então eles sobreviveriam sem serem detectados. Mas uma época importante viria poucos minutos depois de sua formação: a era da nucleossíntese, quando os primeiros elementos leves se formaram a partir da sopa quente e densa do Big Bang.
Os físicos entendem essa era muito bem, porque ela segue os mesmos tipos de física que os reatores nucleares e as bombas atômicas. Os buracos negros primordiais não interromperiam totalmente esse processo, deixando a quantidade de hidrogênio e hélio praticamente a mesma em todo o cosmos, mas influenciariam seus arredores. Os processos nucleares mudariam perto dos buracos negros por causa de sua extrema gravidade, alterando ligeiramente a mistura de elementos resultante.
Se o gás ao redor desses buracos negros pudesse manter uma memória daquela época, o material que observamos em torno dos SMBHs teria uma composição diferente da média cósmica. Por exemplo, os autores do novo artigo descobriram que os buracos negros primordiais poderiam aumentar a quantidade de hélio em cerca de 10% e esgotar a quantidade de lítio em cerca de 10%.
Os autores admitem que observar essa diferença seria um desafio, mas eles enfatizam que instrumentos como o Telescópio Espacial James Webb da NASA, que em breve será lançado, pode estar à altura da tarefa. Observar essa impressão digital elementar pode não apenas revelar as origens dos próprios SMBHs, mas também dar aos astrônomos uma janela inestimável para os primeiros momentos do Big Bang.
Publicado em 27/10/2021 12h37
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