p Buracos negros supermassivos, ou SMBHs, são buracos negros com massas de vários milhões a bilhões de vezes a massa do nosso sol. A Via Láctea hospeda um SMBH com massa alguns milhões de vezes a massa solar. Surpreendentemente, observações astrofísicas mostram que SMBHs já existiam quando o universo era muito jovem. Por exemplo, um bilhão de buracos negros de massa solar são encontrados quando o universo tinha apenas 6% de sua idade atual, 13,7 bilhões de anos. Como essas SMBHs no início do universo se originam? p Uma equipe liderada por um físico teórico da Universidade da Califórnia, Riverside, surgiu com uma explicação:um buraco negro de semente massivo que o colapso de um halo de matéria escura poderia produzir.

p Halo de matéria escura é o halo de matéria invisível que envolve uma galáxia ou um aglomerado de galáxias. Embora a matéria escura nunca tenha sido detectada em laboratórios, os físicos continuam confiantes de que existe essa matéria misteriosa que constitui 85% da matéria do universo. Se a matéria visível de uma galáxia não estivesse embutida em um halo de matéria escura, este assunto se desfaria.

p "Os físicos estão intrigados porque SMBHs no universo inicial, que estão localizados nas regiões centrais dos halos de matéria escura, crescer tão maciçamente em pouco tempo, "disse Hai-Bo Yu, um professor associado de física e astronomia na UC Riverside, que liderou o estudo que aparece em Cartas de jornal astrofísico . “É como uma criança de 5 anos que pesa, dizer, 200 libras. Essa criança surpreenderia a todos nós, porque sabemos o peso típico de um bebê recém-nascido e quão rápido esse bebê pode crescer. Onde se trata de buracos negros, os físicos têm expectativas gerais sobre a massa de um buraco negro de semente e sua taxa de crescimento. A presença de SMBHs sugere que essas expectativas gerais foram violadas, exigindo novos conhecimentos. E isso é emocionante. "

p Um buraco negro na semente é um buraco negro em seu estágio inicial - semelhante ao estágio do bebê na vida de um ser humano.

p "Podemos pensar em duas razões, "Yu acrescentou." O buraco negro da semente - ou 'bebê' - ou é muito mais massivo ou cresce muito mais rápido do que pensávamos, ou ambos. A questão que surge então é quais são os mecanismos físicos para produzir um buraco negro de sementes massivo o suficiente ou atingir uma taxa de crescimento rápida o suficiente? "

p "Leva tempo para que os buracos negros se tornem massivos, acumulando matéria circundante, "disse o co-autor Yi-Ming Zhong, um pesquisador de pós-doutorado no Instituto Kavli de Física Cosmológica da Universidade de Chicago. "Nosso artigo mostra que se a matéria escura tem auto-interações, então o colapso gravotérmico de um halo pode levar a um buraco negro de sementes massivo o suficiente. Sua taxa de crescimento seria mais consistente com as expectativas gerais."

p Na astrofísica, um mecanismo popular usado para explicar SMBHs é o colapso do gás puro em protogaláxias no início do universo.

p "Este mecanismo, Contudo, não pode produzir um buraco negro de semente massivo o suficiente para acomodar SMBHs recentemente observados - a menos que o buraco negro de semente experimente uma taxa de crescimento extremamente rápida, "Nosso trabalho fornece uma explicação alternativa:um halo de matéria escura auto-interagente experimenta instabilidade gravotérmica e sua região central colapsa em um buraco negro semente."

p A explicação que Yu e seus colegas propõem funciona da seguinte maneira:

p As partículas de matéria escura primeiro se aglomeram sob a influência da gravidade e formam um halo de matéria escura. Durante a evolução do halo, duas forças concorrentes - gravidade e pressão - operam. Enquanto a gravidade puxa as partículas de matéria escura para dentro, a pressão os empurra para fora. Se as partículas de matéria escura não têm auto-interações, então, conforme a gravidade os puxa em direção ao halo central, eles ficam mais quentes, isso é, eles se movem mais rápido, a pressão aumenta efetivamente, e eles se recuperam. Contudo, no caso de matéria escura auto-interagente, as auto-interações de matéria escura podem transportar o calor dessas partículas "mais quentes" para as mais frias próximas. Isso torna difícil para as partículas de matéria escura se recuperarem.

p Yu explicou que o halo central, que entraria em colapso em um buraco negro, tem momento angular, o que significa que gira. As auto-interações podem induzir viscosidade, ou "fricção, "que dissipa o momento angular. Durante o processo de colapso, o halo central, que tem uma massa fixa, encolhe em raio e diminui em rotação devido à viscosidade. Conforme a evolução continua, o halo central eventualmente entra em colapso em um estado singular:um buraco negro de semente. Esta semente pode crescer mais maciça por acréscimo de matéria bariônica - ou visível - circundante, como gás e estrelas.

p “A vantagem do nosso cenário é que a massa do buraco negro da semente pode ser alta, pois é produzida pelo colapso de um halo de matéria escura, "Yu disse." Assim, ele pode se transformar em um buraco negro supermassivo em uma escala de tempo relativamente curta. "

p O novo trabalho é novo, pois os pesquisadores identificam a importância dos bárions - partículas atômicas e moleculares comuns - para que essa ideia funcione.

p "Primeiro, mostramos a presença de bárions, como gás e estrelas, pode acelerar significativamente o início do colapso gravotérmico de um halo e um buraco negro de semente pode ser criado cedo o suficiente, "disse Wei-Xiang Feng, Estudante de pós-graduação de Yu e co-autor do artigo. "Segundo, mostramos que as auto-interações podem induzir viscosidade que dissipa o momento angular remanescente do halo central. Terceiro, desenvolvemos um método para examinar a condição para desencadear a instabilidade relativística geral do halo colapsado, o que garante que um buraco negro na semente possa se formar se a condição for satisfeita. "

p Na última década, Yu explorou novas previsões de auto-interações da matéria escura e suas consequências observacionais. Seu trabalho mostrou que a matéria escura auto-interagente pode fornecer uma boa explicação para o movimento observado de estrelas e gás nas galáxias.

p "Em muitas galáxias, estrelas e gás dominam suas regiões centrais, "ele disse." Assim, é natural perguntar como a presença dessa matéria bariônica afeta o processo de colapso. Mostramos que isso vai acelerar o início do colapso. Esse recurso é exatamente o que precisamos para explicar a origem dos buracos negros supermassivos no início do universo. As auto-interações também levam à viscosidade que pode dissipar o momento angular do halo central e ajudar ainda mais no processo de colapso. "

p O artigo de pesquisa é intitulado "Semeando buracos negros supermassivos com matéria escura que interage com si mesmo:um cenário unificado com bárions".