À medida que ganhamos maior capacidade de perscrutar cada vez mais fundo no Universo, descobrimos algo muito surpreendente: Buracos negros supermassivos milhões a bilhões de vezes a massa do Sol, que surgiram antes que o Universo tivesse até mesmo 10 por cento de sua idade atual.
Este é um verdadeiro enigma cosmológico. Dado o que sabemos sobre a taxa de crescimento dos buracos negros, não deveria ter havido tempo suficiente desde o Big Bang para que eles crescessem tanto. Mas sua presença é inegável – então algo estranho deve estar acontecendo.
De acordo com uma nova pesquisa, esse algo pode ser uma das coisas mais estranhas do Universo: matéria escura.
“Podemos pensar em duas razões [pelas quais os primeiros buracos negros do Universo são tão massivos]”, disse o físico e astrônomo Hai-Bo Yu, da University of California Riverside.
“O buraco negro da 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 de sementes massivo o suficiente ou alcançar uma taxa de crescimento rápida o suficiente? ”
A matéria escura é um dos maiores mistérios do Universo. Não sabemos o que é ou do que é feito. A única maneira pela qual ele interage com a matéria bariônica normal no Universo – essa é a matéria de que todas as coisas que podemos ver são feitas – é gravitacionalmente.
Por interagir gravitacionalmente, podemos observar efeitos gravitacionais no Universo, como a rotação das galáxias e a forma como a luz se curva ao longo de um forte campo gravitacional, e subtrair o efeito gravitacional da matéria normal para determinar o conteúdo de matéria escura. E há muito disso. Estima-se que 85 por cento de toda a matéria do Universo seja matéria escura.
A maioria das galáxias reside em um halo de matéria escura; é considerado vital para sua formação. Um modelo para a formação de buracos negros supermassivos é o colapso direto de uma nuvem densa de gás. Yu e seus colegas se perguntaram se poderia haver outra contribuição.
“Este mecanismo … não pode produzir um buraco negro de semente massivo o suficiente para acomodar buracos negros supermassivos recentemente observados – a menos que o buraco negro de 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 de semente.”
Pelo que podemos dizer até agora, a matéria escura interage apenas com a matéria bariônica gravitacionalmente, mas pode ser capaz de interagir com ela mesma.
O cenário da equipe começa com a formação de um halo de matéria escura, reunindo-se gravitacionalmente no início do Universo. A atração da gravidade para dentro competiria com a pressão para fora do calor e da pressão; para a matéria escura não auto-interagente, as partículas que se condensam em direção ao centro do halo acelerariam sob a gravidade crescente e recuariam sob a pressão mais alta, porque eram incapazes de transferir sua energia para outras partículas.
Partículas de matéria escura auto-interagentes, no entanto, seriam capazes de transferir energia para outras partículas, introduzindo atrito no fluido de matéria escura em rotação. Isso faria com que as partículas ficassem mais lentas, reduzindo o momento angular e encolhendo o halo central de modo que, eventualmente, ele entraria em colapso sob sua própria massa para formar a semente de um buraco negro.
A partir deste ponto, a semente pode crescer por acréscimo de matéria bariônica, disseram os pesquisadores. E, embora a ‘semente’ de matéria escura possa ter uma massa alta o suficiente para permitir que o buraco negro cresça rapidamente, ambas as formas de matéria são necessárias.
“Em muitas galáxias, estrelas e gás dominam suas regiões centrais”, explicou Yu.
“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. ”
A equipe espera que instrumentos futuros, ainda mais sensíveis, sejam capazes de localizar as primeiras galáxias do Universo com uma gama de brilhos fora da capacidade de nossos telescópios atuais.
Isso deve ser capaz de ajudar a validar seu modelo, um resultado que não apenas nos ajudaria a resolver o problema dos buracos negros supermassivos do início do Universo, mas a natureza misteriosa da matéria escura.
Publicado em 21/06/2021 09h24
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