p A luz liberada ao redor dos primeiros buracos negros massivos do universo é tão intensa que é capaz de alcançar telescópios em toda a extensão do universo. Incrivelmente, a luz dos buracos negros (ou quasares) mais distantes tem viajado até nós por mais de 13 bilhões de anos-luz. Contudo, não sabemos como esses buracos negros monstruosos se formaram. p Nova pesquisa liderada por pesquisadores do Georgia Institute of Technology, Dublin City University, Michigan State University, a Universidade da Califórnia em San Diego, o San Diego Supercomputer Center e a IBM, fornece um caminho novo e extremamente promissor para resolver esse enigma cósmico. A equipe mostrou que quando as galáxias se juntam com extrema rapidez - e às vezes com violência - isso pode levar à formação de buracos negros muito massivos. Nessas galáxias raras, a formação normal de estrelas é interrompida e a formação de buracos negros assume.

p O novo estudo descobriu que buracos negros massivos se formam em regiões densas sem estrelas que estão crescendo rapidamente, virando de cabeça para baixo a crença há muito aceita de que a formação maciça de buracos negros estava limitada a regiões bombardeadas pela poderosa radiação de galáxias próximas. Conclusões do estudo, relatado em 23 de janeiro no jornal Natureza e apoiado por fundos da National Science Foundation, a União Europeia e a NASA, também descobriu que buracos negros massivos são muito mais comuns no universo do que se pensava anteriormente.

p O principal critério para determinar onde os buracos negros massivos se formaram durante a infância do universo está relacionado ao rápido crescimento das nuvens de gás pré-galácticas que são as precursoras de todas as galáxias atuais, o que significa que a maioria dos buracos negros supermassivos tem uma origem comum formando-se neste cenário recém-descoberto, disse John Wise, professor associado do Center for Relativistic Astrophysics da Georgia Tech e autor correspondente do artigo. A matéria escura colapsa em halos que são a cola gravitacional de todas as galáxias. O rápido crescimento inicial desses halos evitou a formação de estrelas que teriam competido com os buracos negros pela matéria gasosa fluindo para a área.

p "Neste estudo, descobrimos um mecanismo totalmente novo que desencadeia a formação de buracos negros massivos em halos de matéria escura em particular, "Wise disse." Em vez de apenas considerar a radiação, precisamos ver a rapidez com que os halos crescem. Não precisamos de muita física para entender isso - apenas como a matéria escura é distribuída e como a gravidade afetará isso. Formar um buraco negro massivo requer estar em uma região rara com uma convergência intensa de matéria. "

p Quando a equipe de pesquisa encontrou esses locais de formação de buracos negros na simulação, eles ficaram perplexos no início, disse John Regan, bolsista de pesquisa no Centro de Astrofísica e Relatividade da Dublin City University. O paradigma anteriormente aceito era que buracos negros massivos só podiam se formar quando expostos a altos níveis de radiação próxima.

p "Teorias anteriores sugeriam que isso só deveria acontecer quando os locais fossem expostos a altos níveis de radiação matadora de formação de estrelas, "disse ele." À medida que nos aprofundávamos, vimos que esses sites estavam passando por um período de crescimento extremamente rápido. Essa foi a chave. A natureza violenta e turbulenta da rápida montagem, a violenta colisão das fundações da galáxia durante o nascimento da galáxia impediu a formação normal de estrelas e levou a condições perfeitas para a formação de buracos negros. Esta pesquisa muda o paradigma anterior e abre toda uma nova área de pesquisa. "

p A teoria anterior baseava-se na intensa radiação ultravioleta de uma galáxia próxima para inibir a formação de estrelas no halo de formação de buracos negros, disse Michael Norman, diretor do San Diego Supercomputer Center da UC San Diego e um dos autores do trabalho. "Embora a radiação ultravioleta ainda seja um fator, nosso trabalho mostrou que não é o fator dominante, pelo menos em nossas simulações, " ele explicou.

p A pesquisa foi baseada no pacote Renaissance Simulation, um conjunto de dados de 70 terabytes criado no supercomputador Blue Waters entre 2011 e 2014 para ajudar os cientistas a entender como o universo evoluiu durante seus primeiros anos. Para saber mais sobre regiões específicas onde buracos negros massivos provavelmente se desenvolveriam, os pesquisadores examinaram os dados de simulação e encontraram dez halos de matéria escura específicos que deveriam ter formado estrelas devido às suas massas, mas continham apenas uma nuvem de gás densa. Usando o supercomputador Stampede2, eles, então, re-simularam dois desses halos - cada um com cerca de 2, 400 anos-luz de diâmetro - em resolução muito mais alta para entender detalhes do que estava acontecendo neles 270 milhões de anos após o Big Bang.

p "Foi apenas nessas regiões excessivamente densas do universo que vimos esses buracos negros se formando, "Wise disse." A matéria escura cria a maior parte da gravidade, e então o gás cai nesse potencial gravitacional, onde pode formar estrelas ou um enorme buraco negro. "

p As Simulações da Renascença são as simulações mais abrangentes dos primeiros estágios da montagem gravitacional do gás puro composto de hidrogênio e hélio e matéria escura fria, levando à formação das primeiras estrelas e galáxias. Eles usam uma técnica conhecida como refinamento de malha adaptativa para ampliar aglomerados densos que formam estrelas ou buracos negros. Além disso, eles cobrem uma região grande o suficiente do universo inicial para formar milhares de objetos - um requisito se alguém estiver interessado em objetos raros, como é o caso aqui. "A alta resolução, física rica e grande amostra de halos em colapso eram necessários para alcançar este resultado, "disse Norman.

p A resolução melhorada da simulação feita para duas regiões candidatas permitiu aos cientistas ver a turbulência e o influxo de gás e aglomerados de matéria se formando quando os precursores do buraco negro começaram a condensar e girar. Sua taxa de crescimento foi dramática.

p "Os astrônomos observam buracos negros supermassivos que cresceram até um bilhão de massas solares em 800 milhões de anos, "Wise disse." Fazer isso exigiu uma convergência intensa de massa naquela região. Você esperaria isso em regiões onde as galáxias estavam se formando em tempos muito antigos. "

p Another aspect of the research is that the halos that give birth to black holes may be more common than previously believed.

p "An exciting component of this work is the discovery that these types of halos, though rare, may be common enough, " said Brian O'Shea, a professor at Michigan State University. "We predict that this scenario would happen enough to be the origin of the most massive black holes that are observed, both early in the universe and in galaxies at the present day."

p Future work with these simulations will look at the lifecycle of these massive black hole formation galaxies, studying the formation, growth and evolution of the first massive black holes across time. "Our next goal is to probe the further evolution of these exotic objects. Where are these black holes today? Can we detect evidence of them in the local universe or with gravitational waves?" Regan asked.

p For these new answers, the research team—and others—may return to the simulations.

p "The Renaissance Simulations are sufficiently rich that other discoveries can be made using data already computed, " said Norman. "For this reason we have created a public archive at SDSC containing called the Renaissance Simulations Laboratory where others can pursue questions of their own."