Novo modelo pode explicar mistério do surgimento de buracos negros supermassivos
Ilustração de um buraco negro supermassivo. Imagem: Scott Woods/Western University
O mistério da formação de imensos buracos negros durante estágios muito iniciais da história do Universo pode estar perto de ser solucionado. Uma equipe de astrofísicos da Universidade Ocidental de Ontário, no Canadá, encontrou evidências para a formação direta de buracos negros que não dependeriam de remanescentes de estrelas para se formarem. Shantanu Basu e Arpan Das, do Departamento de Física e Astronomia, desenvolveram uma explicação para a distribuição que se pode observar da massa e da luminosidade dos buracos negros supermassivos, para as quais não havia explicações científicas anteriormente. Os resultados foram publicados na revista Astrophysical Journal Letters.
O modelo se baseia em uma suposição bastante simples: buracos negros supermassivos se formam muito rapidamente, em períodos extremamente curtos. E então, de repente, sua formação se interrompe. Esta explicação contrasta com a compreensão atual de como se formam buracos negros de massa estelar, que sugere que eles emergem quando o centros de uma estrelas muito massiva colapsa sobre si mesmo.
“Esta é uma evidência observacional indireta de que os buracos negros se originam de colapsos diretos, e não de remanescentes estelares”, diz Basu, professor de astronomia da Universidade Ocidental. Ele é reconhecido internacionalmente como um especialista nos estudos dos estágios iniciais de formação de estrelas e da evolução de discos protoplanetários.
Basu e Das desenvolveram um novo modelo matemático calculando a função de massa de buracos negros supermassivos que se formam durante um período limitado de tempo, e passam por um rápido crescimento exponencial de massa. O crescimento de massa pode ser regulado pelo Limite de Eddington, que é definido por um equilíbrio entre forças de radiação e gravitação, ou até mesmo excedê-lo por por um pequeno fator.
“Os buracos negros supermassivos só tiveram um curto período de tempo onde puderam crescer rapidamente. Em algum momento, devido a toda a radiação no Universo que foi criada por outros buracos negros e estrelas, a produção deles parou”, explica Basu. “Esse é o cenário do colapso direto.”
Durante a última década, muitos buracos negros supermassivos — que são um bilhão de vezes mais massivos que o Sol — foram observados com elevados redshifts (desvios para o vermelho), o que significa que eles existiam em nosso Universo cerca de 800 milhões de anos após o Big Bang. A presença desses buracos negros jovens e muito massivos questiona nossa compreensão atual da formação e do crescimento desses objetos cósmicos. O cenário de colapso direto permite massas iniciais muito maiores do que o cenário de surgimento via remanescente estelar, e pode ajudar a explicar essas observações. Esse novo resultado fornece evidências de que esses buracos negros de colapso direto foram de fato produzidos no início do universo.
Basu acredita que esses novos resultados podem ser usados em observações futuras para inferir a história de formação de buracos negros extremamente massivos, que existiram em tempos muito iniciais do nosso Universo.
Universidade Ocidental de Ontário