Eles são bilhões de vezes maiores que o nosso Sol:como é possível que, como observado recentemente, buracos negros supermassivos já estavam presentes quando o Universo, agora com 14 bilhões de anos, tinha "apenas" 800 milhões de anos? Para astrofísicos, a formação desses monstros cósmicos em tão pouco tempo é uma verdadeira dor de cabeça científica, o que levanta questões importantes sobre o conhecimento atual do desenvolvimento desses corpos celestes.

Um artigo recente publicado em The Astrophysical Journal , pela SISSA Ph.D. estudante Lumen Boco e seu supervisor Andrea Lapi, oferece uma possível explicação para o problema espinhoso. Graças a um modelo original teorizado pelos cientistas de Trieste, o estudo propõe um processo de formação muito rápido nas fases iniciais do desenvolvimento de buracos negros supermassivos, aqueles até agora considerados mais lentos. Provando, matematicamente, que sua existência era possível no jovem Universo, os resultados da pesquisa conciliam o tempo necessário para seu crescimento com os limites impostos pela idade do Cosmos. A teoria pode ser totalmente validada graças aos futuros detectores de ondas gravitacionais, a saber, o telescópio Einstein e o LISA, mas testado em vários aspectos básicos também com o atual sistema avançado LIGO / Virgo.

O monstro cósmico que cresce no centro das galáxias

Os cientistas começaram seu estudo com um pedaço de evidência observacional bem conhecida:o crescimento de buracos negros supermassivos ocorre nas regiões centrais das galáxias, progenitores das galáxias elípticas atuais, que tinha um teor de gás muito alto e em que a formação estelar era extremamente intensa. "As maiores estrelas vivem pouco tempo e evoluem muito rapidamente para buracos negros estelares, tão grande quanto várias dezenas de massas solares; eles são pequenos, mas muitos se formam nessas galáxias. "O gás denso que os cerca, explicam Boco e Lapi, tem um efeito definitivo muito poderoso de atrito dinâmico e faz com que eles migrem muito rapidamente para o centro da galáxia. A maioria dos numerosos buracos negros que atingem as regiões centrais se fundem, criando a semente supermassiva do buraco negro.

Boco e Lapi continuam:"De acordo com as teorias clássicas, um buraco negro supermassivo cresce no centro de uma galáxia capturando a matéria circundante, principalmente gás, "crescendo" sobre si mesmo e finalmente devorando-o a um ritmo proporcional à sua massa. Por esta razão, durante as fases iniciais de seu desenvolvimento, quando a massa do buraco negro é pequena, o crescimento é muito lento. Na medida em que, de acordo com os cálculos, para alcançar a massa observada, bilhões de vezes a do Sol, muito tempo seria necessário, ainda maior do que a idade do jovem Universo. "O estudo deles, Contudo, mostrou que as coisas podiam ir muito mais rápido do que isso.

A colisão louca de buracos negros:o que os cientistas descobriram

"Nossos cálculos numéricos mostram que o processo de migração dinâmica e fusão de buracos negros estelares pode fazer a semente do buraco negro supermassivo atingir uma massa entre 10, 000 e 100, 000 vezes a do Sol em apenas 50-100 milhões de anos. "Neste ponto, os pesquisadores dizem, "o crescimento do buraco negro central de acordo com o supracitado acréscimo direto de gás, previsto pela teoria padrão, vai se tornar muito rápido, porque a quantidade de gás que conseguirá atrair e absorver se tornará imensa, e predominante no processo que propomos. No entanto, justamente o fato de partir de uma semente tão grande como imaginada por nosso mecanismo acelera o crescimento global do buraco negro supermassivo e permite sua formação, também no Universo Jovem. Resumidamente, à luz desta teoria, podemos afirmar que 800 milhões de anos após o Big Bang, buracos negros supermassivos já poderiam povoar o Cosmos. "

"Olhando" para as sementes supermassivas do buraco negro crescem

O artigo, além de ilustrar o modelo e demonstrar sua eficácia, também propõe um método para testá-lo:"A fusão de numerosos buracos negros estelares com a semente do buraco negro supermassivo no centro produzirá ondas gravitacionais que esperamos ver e estudar com detectores atuais e futuros, "explicam os pesquisadores. Em particular, as ondas gravitacionais emitidas nas fases iniciais, quando a semente do buraco negro central ainda é pequena, será identificável pelos detectores atuais como LIGO / Virgo Avançado e totalmente caracterizável pelo futuro Telescópio Einstein. As fases de desenvolvimento subsequentes do buraco negro supermassivo podem ser investigadas graças ao futuro detector LISA, que será lançado no espaço por volta de 2034. Desta forma, explicam Boco e Lapi, “o processo que propomos pode ser validado nas suas diferentes fases, de forma complementar, por futuros detectores de ondas gravitacionais. "

"Esta pesquisa" conclui Andrea Lapi, coordenador do grupo de Astrofísica e Cosmologia do SISSA, "mostra como os alunos e pesquisadores do nosso grupo estão se aproximando totalmente da nova fronteira das ondas gravitacionais e da astronomia de multimensageiros. Em particular, nosso principal objetivo será desenvolver modelos teóricos, como aquele planejado neste caso, que servem para capitalizar as informações oriundas dos experimentos de ondas gravitacionais atuais e futuras, assim, esperançosamente, fornecer soluções para questões não resolvidas relacionadas com a astrofísica, cosmologia e física fundamental. "