Precisamos conversar sobre a idade das trevas. Não, não na idade das trevas após a queda do Império Romano ocidental. A idade das trevas cosmológica. O tempo em nosso universo, bilhões de anos atrás, antes da formação das primeiras estrelas. E precisamos falar sobre o amanhecer cósmico:o nascimento das primeiras estrelas, uma época tumultuada que remodelou completamente a face do cosmos em sua forma moderna.

Essas primeiras estrelas podem ter sido completamente diferentes de tudo que vemos no universo atual. E nós podemos, se tivermos sorte, estar prestes a vê-los pela primeira vez.

Os primeiros buracos negros

Primeiro, precisamos criar um pequeno mistério.

Todos nós sabemos agora como os buracos negros surgiram. Uma estrela gigante, em algum lugar ao norte de oito vezes a massa do nosso sol, vive sua vida breve, mas previsível, fusão de hidrogênio em hélio. Em seguida, ele fica sem hidrogênio e começa a fundir o hélio. Em seguida, ele fica sem hélio e começa a queimar coisas mais pesadas, subindo na tabela periódica até atingir o ferro. A fusão do ferro suga energia em vez de liberar energia, e assim nada pode impedir o terrível colapso gravitacional da estrela. Tudo fica reduzido a um pequeno volume, e agora você tem um buraco negro.

Com o tempo, esse buraco negro pode encontrar e consumir outros buracos negros, ou apenas sugar o material interestelar circundante, aumentando em robustez o tempo todo. Com tempo e comida suficientes, o buraco negro pode inchar e se tornar um gigante - um gigante supermassivo. Essas criaturas se escondem no coração das galáxias, e facilmente inclinar a balança para mais de um milhão de vezes a massa do nosso sol.

Novo material continua a cair - só porque o buraco negro é gigantesco não significa que sua fome esteja saciada - e conforme o gás cai na boca aberta do buraco negro, comprime e aquece, brilhando mais forte do que as estrelas de uma galáxia. Este objeto tem vários nomes - quasar, blazar, núcleo galáctico ativo - mas todos significam a mesma coisa:um buraco negro gigante está se alimentando.

Isso é muito bom e um pouco assustador, mas aqui está um problema. Vemos quasares no universo muito distante, o que significa que vemos quasares no universo muito jovem, quando não tinha nem mesmo um bilhão de anos (sim, isso é jovem para um universo). E o processo que acabei de descrever acima (formando grandes estrelas, deixando-os viver e morrer, criando um buraco negro, deixá-lo se alimentar em proporções gigantescas) leva muito mais tempo do que um bilhão de anos.

Como nosso universo produziu buracos negros monstruosos tão rapidamente?

Fósseis de uma Idade Antiga

Se a estrela usual-> buraco negro-> a rota do quasar não parece funcionar no universo inicial, é hora de considerar alternativas. Atalhos. Rotas mais rápidas para criar os grandes buracos negros que nossas observações exigem. E a maneira mais rápida de fazer um buraco negro supermassivo é começar com uma estrela supermassiva.

Supermassivo? Que tal 100, 000 massas solares, isso é grande o suficiente para você?

Estrelas assim simplesmente não existem no universo de hoje. Se você tentar amontoar tudo isso em um volume compacto o suficiente para transformá-lo em uma estrela, interações e instabilidades irão fragmentá-lo como se fosse uma massa de biscoito se esfarelando em suas mãos, formando muitas estrelas normais em vez de um único monstro. É por isso que pensamos que estrelas com mais de 100 massas solares são, enquanto possível, extremamente raro hoje.

Mas a era do Cosmic Dawn foi uma época diferente. Para um, nenhum elemento pesado existia ainda - as forjas nucleares não estavam operando por tempo suficiente para poluir as vias navegáveis ​​interestelares. A radiação desses elementos extras é uma ótima maneira de resfriar uma nuvem de gás e acionar sua fragmentação em pedaços menores. Segundo, o jovem cosmos foi inundado com radiação ultravioleta de alta energia do nascimento repentino de outro, estrelas menores. Esta radiação quebra o hidrogênio molecular, outro caminho fundamental para resfriar e fragmentar uma nuvem de gás gigante.

Então, embora seja raro, as condições podem ter sido perfeitas no final da idade cósmica das trevas para formar estrelas gigantes e até supergigantes:material suficiente poderia ter fluído em um volume pequeno o suficiente sem se dividir, dando à luz uma grande estrela.

Essas estrelas gigantes teriam tido vidas curtas e colapsado diretamente para formar grandes buracos negros, atalho a rota usual para fazer quasares.

O amanhecer cósmico rompe

Parece uma ótima ideia, mas, na ciência, grandes ideias precisam confrontar as evidências antes de começarmos a acreditar nelas. Nesse caso, seria muito útil ter uma fotografia de uma dessas estrelas gigantescas antes que se transformassem em buracos negros e depois em quasares.

Isso é difícil, no entanto, porque a época em que essas estrelas viveram e morreram está longe de nós. E essas estrelas, embora ainda seja gigante para os padrões estelares, eram muito pequenos, tornando-os ainda mais difíceis de detectar nessas distâncias extremas.

Mas, pela primeira vez, podemos ter um golpe de sorte. Simulações recentes dessas estranhas estrelas revelam que elas são surpreendentemente legais, tendo uma temperatura de superfície em algum lugar entre 6, 000-8000 Kelvin, dando a suas superfícies um brilho vermelho intenso. E devido ao seu tamanho incrível, eles são muito brilhantes, explodindo com luz em uma intensidade de dez bilhões de sóis. Esta combinação de brilho puro e vermelhidão profunda significa que eles são potencialmente visíveis em comprimentos de onda infravermelhos para algumas missões futuras.

Missões como o Telescópio Espacial James Webb, um instrumento projetado especificamente para ir à caça das primeiras estrelas. Se estrelas supergigantes existissem naquelas eras longínquas, e se alguns deles tivessem a sorte de sobreviver na era em que seus irmãos já começaram a se transformar em buracos negros monstruosos, colocando-os um pouco mais de perto, há uma chance de tirarmos uma foto diretamente.

Que visão seria.