Os buracos negros no início do universo representam um certo problema. Com base em observações de telescópios na Terra e no espaço, sabemos que alguns buracos negros cresceram um bilhão de vezes a massa do Sol apenas um bilhão de anos após o Big Bang. Nossos modelos atuais de crescimento de buracos negros, Contudo, não posso explicar essa velocidade de crescimento. Então, como esses buracos negros supermassivos surgiram?

Este é um problema que há muito atormenta os astrônomos. Nosso entendimento atual sugere que, neste período de tempo, apenas os chamados buracos negros de massa intermediária até 100, 000 vezes a massa do nosso Sol deveria ser capaz de crescer. E embora várias teorias para este rápido crescimento inicial do buraco negro tenham sido propostas, a resposta permanece indefinida.

"Isso ainda é um grande problema na astrofísica, "disse o Dr. John Regan, um astrofísico da Dublin City University, Irlanda.

Os buracos negros se formam depois que uma estrela massiva fica sem combustível, às vezes resultante de uma supernova e outras vezes sem uma supernova, que é chamado de cenário de colapso direto. Uma vez que uma estrela não tem mais combustível para queimar, ele não pode mais suportar sua massa e desmorona. Se a massa da estrela fosse grande o suficiente, ele irá colapsar em um objeto com uma imensa atração gravitacional da qual nada, nem mesmo luz, pode escapar - um buraco negro.

Conforme o buraco negro gradualmente atrai mais e mais poeira e gás nas proximidades, ele pode crescer em tamanho, eventualmente alcançando as proporções gigantescas de um buraco negro supermassivo, como a primeira imageada em abril de 2019. Os cientistas agora estão investigando se buracos negros supermassivos poderiam ter se formado a partir de estrelas supermassivas que colapsaram para formar grandes buracos negros "sementes", dando-lhes uma vantagem inicial em seu crescimento.

Dr. Regan coordenou um projeto chamado SmartStars, que usava um dos supercomputadores mais poderosos da Irlanda, ICHEC, para modelar como estrelas supergigantes podem fornecer as sementes para buracos negros supermassivos. A equipe queria ver se essas estrelas poderiam ser responsáveis ​​pelo rápido crescimento de buracos negros supermassivos, que vemos no centro de quase todas as galáxias hoje.

250, 000

Eles descobriram que essas estrelas podem crescer até 250, 000 vezes a massa do Sol em 200 milhões de anos após o Big Bang - um resultado tentador. Contudo, até mesmo os supercomputadores têm suas limitações. Os pesquisadores só foram capazes de modelar o futuro dessas estrelas por um milhão de anos, mas a modelagem precisa cobrir 800 milhões de anos para ver se essas estrelas realmente poderiam ser as sementes de buracos negros supermassivos.

"É um excelente ponto de partida, "disse o Dr. Regan." Com a próxima geração de supercomputadores, seremos capazes de levar essas simulações cada vez mais adiante. "

Outras teorias sobre como esses buracos negros cresceram tão rapidamente são que uma pequena fração dos buracos negros cresceu a taxas incríveis, ou que buracos negros menores se fundiram para crescer em um buraco negro supermassivo.

Dr. Muhammad Latif, um astrofísico da Universidade dos Emirados Árabes Unidos em Abu Dhabi, concorda com o Dr. Regan que o modelo de estrela supermassiva continua sendo nossa melhor teoria no momento. O Dr. Latif foi o investigador principal do projeto FIRSTBHs que, como SmartStars, investigou a plausibilidade do modelo de estrela supermassiva, usando simulações em um supercomputador na França.

Seu projeto, que foi realizado no CNRS na França, mostraram que estrelas supermassivas podem produzir buracos negros sementes centenas de milhares de vezes a massa do nosso sol. "Descobrimos que esse método é basicamente viável, "disse o Dr. Latif, explicando que esses buracos negros iniciais são grandes o suficiente para explicar o crescimento de buracos negros supermassivos de um bilhão de massas solares em um pequeno intervalo de tempo.

Contudo, requer que as condições no universo primitivo tenham sido adequadas para que esses buracos negros se formassem. Grandes quantidades de material feito de hidrogênio e hélio seriam necessárias para formar buracos negros com sementes maciças suficientes para produzir buracos negros supermassivos, o que parece ter sido possível.

Mas outros fatores inexplicáveis ​​significam que esta ainda é uma questão em aberto. Os buracos negros de sementes precisariam atrair matéria a uma taxa de pelo menos 0,1 massas solares por ano, por exemplo, e no momento não está claro se isso é possível.

Observatórios

Vários observatórios já estão nos permitindo sondar buracos negros no início do universo com grande detalhe. Em outubro de 2019, astronomers announced that they had used the Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) in Chile to find a thick ring of dust and gas around a supermassive black hole inside a distant galaxy. With two gas streams rotating in opposite directions, it's thought this ring could have fed the supermassive black hole with enough material to cause it to grow rapidly.

Previously, in August 2019, NASA's Chandra X-ray Observatory managed to spot a so-called 'cloaked' black hole growing rapidly when the universe was just 6% of its current age. A thick cloud of gas hides the black hole and its resulting quasar, a bright region of superheated material that surrounds it, but Chandra was able to spot it by seeing X-rays emerge from the cloud.

Contudo, future telescopes will likely be needed to study the rapid growth of supermassive black holes in even more detail. Por exemplo, while we can predict the existence of seed black holes, we can't yet see them. NASA's upcoming James Webb Space Telescope (JWST), due to launch in 2021, may be capable of spotting some of the undiscovered seed black holes.

The European Space Agency's Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA), Enquanto isso, set to launch in 2031, should give us an even better understanding of how supermassive black holes arise.

"People are quite hopeful that we will get a rather better picture with the ATHENA mission, " said Dr. Latif. And maybe soon, we'll finally know how these huge objects grew so big in such a short space of time.

"It's like going to kindergarten and finding a seven-feet tall baby, " added Dr. Latif.