Grande simulação encontra nova origem de buracos negros supermassivos

Instantâneos das simulações mostrando a distribuição da matéria no Universo no momento da formação dos buracos negros (em cima) e a distribuição da densidade das nuvens de gás produtoras de buracos negros (em baixo). No painel inferior, os pontos pretos próximos ao centro da figura representam estrelas maciças, que se acredita evoluírem para um buraco negro no tempo. Os pontos brancos representam estrelas com menos de 10 massas solares e foram formadas pela fragmentação da nuvem de gás. Muitas das estrelas menores se fundem com as estrelas supermassivas no centro, permitindo que as estrelas massivas cresçam com eficiência. Crédito: Sunmyon Chon

Simulações em computador conduzidas por astrofísicos da Universidade Tohoku, no Japão, revelaram uma nova teoria para a origem de buracos negros supermassivos. Nesta teoria, os precursores de buracos negros supermassivos crescem engolindo não apenas gás interestelar, mas também estrelas menores. Isso ajuda a explicar o grande número de buracos negros supermassivos observados hoje.

Quase todas as galáxias do universo moderno têm um buraco negro supermassivo no centro. Às vezes, suas massas podem chegar a 10 bilhões de vezes a massa do sol. No entanto, sua origem ainda é um dos grandes mistérios da astronomia. Uma teoria popular é o modelo de colapso direto, onde nuvens primordiais de gás interestelar colapsam sob a gravidade própria para formar estrelas supermassivas que depois evoluem para buracos negros supermassivos. Porém, estudos anteriores mostraram que o colapso direto funciona apenas com gás puro, composto apenas de hidrogênio e hélio.

Elementos mais pesados, como carbono e oxigênio, alteram a dinâmica do gás, fazendo com que o gás em colapso se fragmente em muitas nuvens menores que formam suas próprias estrelas pequenas, em vez de algumas estrelas supermassivas. Já o colapso direto do gás puro não pode explicar o grande número de buracos supermassivos vistos hoje.

Sunmyon Chon, pós-doutorado na Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência e Universidade Tohoku, e sua equipe usaram o observatório astronômico nacional do supercomputador do Japão “ATERUI II” para realizar simulações em 3D de alta resolução a longo prazo para testar a possibilidade de que estrelas supermassivas podem se formar mesmo em gás enriquecido com elementos pesados.

A formação de estrelas em nuvens de gás, incluindo elementos pesados, tem sido difícil de simular devido ao custo computacional de simular a divisão violenta do gás, mas os avanços no poder de computação, especificamente a alta velocidade de cálculo de “ATERUI II” encomendada em 2018, permitiram à equipe para superar esse desafio. Essas novas simulações permitem estudar a formação de estrelas a partir de nuvens de gás com mais detalhes.

Impressão artística da formação de estrelas supermassivas que evoluem para um buraco negro supermassivo. Crédito: NAOJ

Ao contrário das previsões anteriores, a equipe de pesquisa descobriu que estrelas supermassivas ainda podem se formar a partir de nuvens de gás enriquecidas com elementos pesados. Como esperado, a nuvem de gás se rompe violentamente e muitas estrelas menores se formam.

No entanto, há um forte fluxo de gás em direção ao centro da nuvem; as estrelas menores são arrastadas por esse fluxo e são engolidas pelas estrelas massivas no centro. As simulações resultaram na formação de uma estrela massiva 10.000 vezes mais massiva que o Sol.

“É a primeira vez que mostramos a formação de um precursor de buraco negro tão grande em nuvens enriquecidas com elementos pesados. Acreditamos que a estrela gigante assim formada continuará a crescer e evoluir para um buraco negro gigante”, diz Chon. Este novo modelo mostra que não apenas o gás primordial, mas também o gás que contém elementos pesados podem formar estrelas gigantes, que são as sementes dos buracos negros. “Nosso novo modelo é capaz de explicar a origem de mais buracos negros do que os estudos anteriores, e esse resultado leva a um entendimento unificado da origem dos buracos negros supermassivos”, diz Kazuyuki Omukai, professor da Universidade Tohoku.


Publicado em 03/06/2020 05h41

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