Apenas milissegundos após o Big Bang do universo, o caos reinou. Os núcleos atômicos se fundiram e se separaram em um movimento quente e frenético. Ondas de pressão incrivelmente fortes acumularam e comprimiram a matéria com tanta força que se formaram buracos negros, que os astrofísicos chamam de buracos negros primordiais.
Os buracos negros primordiais ajudaram ou impediram a formação das primeiras estrelas do universo, nascidas cerca de 100 milhões de anos depois?

Simulações de supercomputadores ajudaram a investigar essa questão cósmica, graças a simulações no supercomputador Stampede2 do Texas Advanced Computing Center (TACC), parte da Universidade do Texas em Austin.

"Descobrimos que a imagem padrão da formação da primeira estrela não é realmente alterada pelos buracos negros primordiais", disse Boyuan Liu, pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Cambridge. Liu é o principal autor da pesquisa em astrofísica computacional publicada em agosto de 2022 nos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society .

No universo primitivo, o modelo padrão da astrofísica sustenta que os buracos negros semearam a formação de estruturas semelhantes a halos em virtude de sua atração gravitacional, análoga a como as nuvens se formam ao serem semeadas por partículas de poeira. Esta é uma vantagem para a formação de estrelas, onde essas estruturas serviram como andaimes que ajudaram a matéria a se unir nas primeiras estrelas e galáxias.

No entanto, um buraco negro também causa aquecimento por gás ou detritos que caem nele. Isso forma um disco de acreção quente ao redor do buraco negro, que emite fótons energéticos que ionizam e aquecem o gás circundante.

E isso é um ponto negativo para a formação de estrelas, pois o gás precisa esfriar para poder se condensar a uma densidade alta o suficiente para que uma reação nuclear seja desencadeada, incendiando a estrela.

"Descobrimos que esses dois efeitos - aquecimento e semeadura de buracos negros - quase se cancelam e o impacto final é pequeno para a formação de estrelas", disse Liu.

Dependendo de qual efeito vence o outro, a formação de estrelas pode ser acelerada, retardada ou impedida por buracos negros primordiais. "É por isso que os buracos negros primordiais podem ser importantes", acrescentou.

Liu enfatizou que é apenas com simulações cosmológicas de última geração que se pode entender a interação entre os dois efeitos.

Em relação à importância dos buracos negros primordiais, a pesquisa também deu a entender que eles interagem com as primeiras estrelas e produzem ondas gravitacionais. "Eles também podem desencadear a formação de buracos negros supermassivos. Esses aspectos serão investigados em estudos de acompanhamento", acrescentou Liu.

Para o estudo, Liu e seus colegas usaram simulações de zoom hidrodinâmico cosmológico como sua ferramenta para esquemas numéricos de última geração da hidrodinâmica da gravidade, química e resfriamento na formação da estrutura e formação inicial de estrelas.

"Um efeito chave dos buracos negros primordiais é que eles são sementes de estruturas", disse Liu. Sua equipe construiu o modelo que implementou esse processo, além de incorporar o aquecimento de buracos negros primordiais.

Eles então adicionaram um modelo de subgrade para acreção e feedback de buracos negros. O modelo calcula a cada passo de tempo como um buraco negro acumula gás e também como ele aquece seus arredores.

"Isso é baseado no ambiente ao redor do buraco negro conhecido nas simulações em tempo real", disse Liu.

A XSEDE premiou as alocações da equipe científica no sistema Stampede2 do TACC.

"Recursos de supercomputação em astrofísica computacional são absolutamente vitais", disse o coautor do estudo Volker Bromm, professor e presidente do Departamento de Astronomia da UT Austin.

Bromm explicou que na astrofísica teórica, o paradigma dominante para entender a formação e evolução da estrutura cósmica é usar simulações ab initio, que seguem o "manual" do próprio universo - as equações governantes da física.

As simulações usam dados das condições iniciais do universo com alta precisão com base em observações do fundo cósmico de micro-ondas. Caixas de simulação são então configuradas que seguem a evolução cósmica passo a passo.

Mas os desafios na simulação computacional da formação da estrutura estão na forma como as grandes escalas do universo – milhões a bilhões de anos-luz e bilhões de anos – se articulam com as escalas atômicas onde a química estelar acontece.

"O microcosmo e o macrocosmo interagem", disse Bromm.

"Os recursos TACC e XSEDE têm sido absolutamente vitais para expandirmos a fronteira da astrofísica computacional. Todos que estão na UT Austin - membros do corpo docente, pós-doutorandos, estudantes - se beneficiam do fato de termos um centro de supercomputação tão importante. grato", acrescentou Bromm.

“Se olharmos para uma estrutura típica que pode formar as primeiras estrelas, precisamos de cerca de um milhão de elementos para resolver completamente esse halo ou estrutura”, disse Liu. "É por isso que precisamos usar supercomputadores no TACC."

Liu disse que usando Stampede2, uma simulação rodando em 100 núcleos pode ser concluída em apenas algumas horas versus anos em um laptop, sem mencionar os gargalos com memória e leitura ou gravação de dados.

"O plano geral do nosso trabalho é que queremos entender como o universo foi transformado a partir das simples condições iniciais do Big Bang", explicou Bromm.

As estruturas que emergiram do Big Bang foram impulsionadas pela importância dinâmica da matéria escura.

A natureza da matéria escura continua sendo um dos maiores mistérios da ciência.

As pistas desta substância hipotética ainda não observável são inegáveis, vistas nas impossíveis velocidades de rotação das galáxias. A massa de todas as estrelas e planetas em galáxias como a nossa Via Láctea não tem gravidade suficiente para impedi-los de se separarem. O 'fator x' é chamado de matéria escura, mas os laboratórios ainda não o detectaram diretamente.

No entanto, ondas gravitacionais foram detectadas, primeiro pelo LIGO em 2015.

"É possível que os buracos negros primordiais possam explicar esses eventos de ondas gravitacionais que temos detectado nos últimos sete anos", disse Liu. "Isso só nos motiva."

Disse Bromm:"Os supercomputadores estão permitindo novos insights sem precedentes sobre como o universo funciona. O universo nos fornece ambientes extremos que são extremamente difíceis de entender. Isso também dá motivação para construir arquiteturas de computação cada vez mais poderosas e criar melhores estruturas algorítmicas. grande beleza e poder para o benefício de todos."

O estudo, "Efeitos de buracos negros primordiais de massa estelar na primeira formação estelar", foi publicado em agosto de 2022 no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . Os autores do estudo são Boyuan Liu, Saiyang Zhang e Volker Bromm da Universidade do Texas em Austin. Liu está agora na Universidade de Cambridge. + Explorar mais

Os buracos negros se formaram imediatamente após o Big Bang?