Fluxos de gás supersônico que sobraram do Big Bang levam à formação de buracos negros massivos
p Distribuições de densidade projetadas de componentes de matéria escura (fundo e painel superior) e gás (três painéis inferiores) quando a estrela massiva se forma. O berço estelar é extremamente assimétrico como uma ampla estrutura em forma de cunha (painel do meio) devido aos movimentos supersônicos iniciais do gás que sobraram do Big Bang. O círculo no painel direito indica a região gravitacionalmente instável com massa de 26, 000 massas solares. Crédito:Shingo Hirano
p Uma equipe internacional de pesquisadores usou com sucesso uma simulação de supercomputador para recriar a formação de um enorme buraco negro a partir de fluxos de gás supersônicos que sobraram do Big Bang. Seu estudo, publicado no desta semana
Ciência , mostra que este buraco negro pode ser a fonte do nascimento e desenvolvimento dos maiores e mais antigos buracos negros supermassivos registrados em nosso universo. p "Este é um progresso significativo. A origem dos monstruosos buracos negros é um mistério antigo e agora temos uma solução para ele, "disse o autor e investigador principal do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU), Naoki Yoshida.
p Descobertas recentes desses buracos negros supermassivos localizados a 13 bilhões de anos-luz de distância, correspondendo a quando o universo tinha apenas cinco por cento de sua idade atual, representam um sério desafio para a teoria da formação e evolução de buracos negros. Os mecanismos físicos que formam os buracos negros e impulsionam seu crescimento são mal compreendidos.
Evolução temporal das distribuições de densidade projetadas de componentes de matéria escura (painel esquerdo) e gás (painel direito) de redshift z =90 para 30,5 quando a estrela massiva se forma. Por causa dos movimentos supersônicos iniciais do gás que sobraram do Big Bang, a estrutura de densidade em grande escala do componente do gás está fora da matéria escura e não pode ser coletada na parte inferior do potencial gravitacional da matéria escura. A rápida condensação de gás é inicialmente desencadeada em um halo protogaláctico. Crédito:Shingo Hirano p Estudos teóricos têm sugerido que esses buracos negros formados a partir de remanescentes da primeira geração de estrelas, ou de um colapso gravitacional direto de uma enorme nuvem de gás primordial. Contudo, essas teorias têm dificuldade em formar buracos negros supermassivos rápido o suficiente, ou requerem condições muito particulares.
p Yoshida e o bolsista de pesquisa do JSPS Overseas Shingo Hirano, atualmente na Universidade do Texas em Austin, identificou um processo físico promissor através do qual um enorme buraco negro poderia se formar com rapidez suficiente. A chave era incorporar o efeito dos movimentos supersônicos do gás em relação à matéria escura. As simulações do supercomputador da equipe mostraram que um aglomerado massivo de matéria escura se formou quando o universo tinha 100 milhões de anos. Fluxos de gás supersônico gerados pelo Big Bang foram capturados pela matéria escura para formar um denso, turbulenta nuvem de gás. Dentro, uma proto-estrela começou a se formar, e porque o gás circundante forneceu material mais do que suficiente para se alimentar, a estrela foi capaz de crescer extremamente em um curto período de tempo sem liberar muita radiação.
p A distribuição da densidade do gás em torno da protoestrela recém-nascida. O movimento supersônico da esquerda para a direita do gás resulta no não esférico, estrutura de densidade comprimida. A nuvem interna colapsada também mostra o objeto turbulento, que pode se acumular rapidamente na proto-estrela central e causar um rápido crescimento em massa dela. Crédito:Shingo Hirano
p "Ao atingir a massa de 34, 000 vezes mais do que o nosso sol, a estrela colapsou por sua própria gravidade, deixando um enorme buraco negro. Esses enormes buracos negros nascidos no início do universo continuaram a crescer e se fundir para se tornar um buraco negro supermassivo, "disse Yoshida.
p "A densidade numérica de buracos negros massivos é derivada de aproximadamente um por um volume de três bilhões de anos-luz de lado - notavelmente perto da densidade numérica observada de buracos negros supermassivos, "disse Hirano.
p A evolução da estrutura de temperatura e densidade na fase de acreção protoestelar após a formação da protoestrela. O rápido acúmulo de nuvem densa de gás (contorno branco) restringe uma expansão da região fotoionizada (vermelha) que é possível interromper o acúmulo de gás. Crédito:Takashi Hosokawa
p O resultado deste estudo será importante para pesquisas futuras sobre o crescimento de buracos negros massivos. Especialmente com o aumento do número de observações de buracos negros no universo distante que devem ser feitas quando o Telescópio Espacial James Webb da NASA for lançado no próximo ano.
p Esta pesquisa foi publicada em
Ciência em 28 de setembro.
