Como buracos negros supermassivos surgiram no Universo primordial: James Webb e o Limite de Eddington

O buraco negro no centro da Via Láctea e os gigantes cósmicos

No miolo da Via Láctea, a cerca de 27.000 anos-luz da Terra, existe um buraco negro supermassivo cuja massa ultrapassa a de 4 milhões de Sóis.

Quase todas as galáxias abrigam um buraco negro supermassivo - e, em muitos casos, eles são ainda maiores. O buraco negro da galáxia elíptica M87, por exemplo, tem massa de 6,5 bilhões de Sóis. Já os maiores buracos negros conhecidos passam de 40 bilhões de massas solares.

Esses gigantes certamente estão por aí no cosmos - mas de que maneira eles surgiram?

A hipótese de crescimento por fusões e o desafio do James Webb

Uma explicação bastante discutida propõe que buracos negros supermassivos se constroem ao longo do tempo por meio de fusões. Por causa da matéria escura e da energia escura, as galáxias teriam se formado em aglomerados, separados por grandes vazios.

Com o passar do tempo, esses vazios se expandem, enquanto as galáxias se reúnem em grupos cada vez mais densos e, no fim, colidem e se fundem. Dentro delas, os buracos negros também acabam se unindo, originando os objetos supermassivos observados atualmente.

O ponto é que esse processo é lento. Se esse cenário estiver correto, as galáxias mais distantes deveriam conter buracos negros menores, com algo em torno de milhões de massas solares, e os colossos com bilhões de massas solares só deveriam aparecer no Universo mais próximo.

Só que as observações do Telescópio Espacial James Webb revelaram que, em muitas das galáxias mais distantes, os buracos negros supermassivos já são enormes.

Foram identificados buracos negros com mais de um bilhão de Sóis quando o Universo tinha apenas meio bilhão de anos. Esses gigantes “jovens” são massivos demais para serem explicados por fusões e desafiam as explicações convencionais.

Por que o Limite de Eddington freia o crescimento

Pode parecer estranho: o Universo primordial era extremamente denso. Com tanta matéria disponível para “alimentar” buracos negros, por que eles não poderiam engordar rapidamente?

A trava é o chamado Limite de Eddington. À medida que a matéria é atraída por um buraco negro, ela se aquece a temperaturas enormes e vira um plasma de altíssima pressão. Esse plasma exerce uma força que empurra parte da matéria mais distante para fora, reduzindo a velocidade com que o buraco negro consegue crescer.

O Limite de Eddington define a taxa máxima de crescimento de um buraco negro. E essa taxa, por si só, não é suficiente para justificar todos os buracos negros gigantescos observados no cosmos muito jovem.

A era escura cósmica e o teste em simulações (arXiv)

Mas o Universo em seus primeiros tempos era bem diferente do Universo atual. E se, naquela época, o Limite de Eddington não valesse do mesmo jeito? Essa é a questão explorada em um estudo recente disponível no arXiv.

Os autores construíram modelos hidrodinâmicos sofisticados para investigar como buracos negros poderiam ter se formado durante a era escura cósmica.

Trata-se do intervalo após elétrons e núcleos terem esfriado o suficiente para formar átomos, mas antes da reionização - quando as primeiras estrelas surgiram e reacenderam o cosmos com luz. Sabemos que é nesse período que as galáxias começam a se organizar, então faz sentido supor que buracos negros supermassivos também tenham começado a se formar ali.

Com base nas simulações, os pesquisadores concluíram que existe um intervalo de crescimento super-Eddington. Em certas regiões de densidade tão alta, o material superaquecido nas proximidades do buraco negro não consegue “limpar” a área ao redor.

Isso permite que buracos negros primordiais cresçam mais rápido do que seria possível hoje - porém apenas até cerca de 10.000 massas solares.

Segundo as simulações, depois disso o mecanismo de realimentação do Limite de Eddington entra em ação, e a taxa de crescimento volta a ficar limitada. O grupo também constatou que esse crescimento super-Eddington não traz grande vantagem no longo prazo.

Com o tempo, mesmo buracos negros que sempre crescem em ritmo sub-Eddington acabam alcançando a mesma massa. O velocista olímpico Usain Bolt pode ser o humano mais rápido do mundo, mas o maratonista Eliud Kipchoge o ultrapassa em uma corrida mais longa.

O que o estudo sugere sobre sementes do Big Bang

O estudo indica com força que o crescimento super-Eddington não dá conta de explicar todos os buracos negros com bilhões de massas solares vistos no Universo primordial.

Como as fusões de galáxias também não conseguem justificar esses casos, o trabalho aponta para outra saída: buracos negros-semente com grande massa inicial, formados muito cedo - talvez ainda durante o período inflacionário, logo após o Big Bang.

Este artigo foi publicado originalmente pela Universe Today. Leia o artigo original.