Como os buracos negros ficaram tão grandes e rápidos? A resposta está no escuro

A radiação da matéria escura no Universo primitivo pode ter ajudado a manter o gás hidrogénio quente o suficiente para se condensar em buracos negros.

• Buracos negros supermassivos geralmente levam bilhões de anos para se formar. Mas Telescópio Espacial James Webb Eles são encontrados pouco tempo depois? Big Bang – Antes que tenham tempo suficiente para se formar.
• Universidade da Califórnia Os astrofísicos descobriram que, se a matéria escura decair, os fótons que ela emite mantêm o gás hidrogênio quente o suficiente para que a gravidade possa reuni-lo em nuvens gigantes e, eventualmente, condensá-lo em uma massa enorme. Buraco negro.
• Além de explicar a existência de buracos negros supermassivos muito antigos, esta descoberta apoia a existência de um tipo de matéria escura capaz de decair em partículas como os fotões.

Formação de buracos negros supermassivos

Demora muito tempo para que buracos negros supermassivos, como o que está no centro da nossa galáxia, se formem. Via Láctea Normalmente, o nascimento de um buraco negro requer que uma estrela gigante com uma massa de pelo menos 50 massas solares se queime – um processo que pode levar mil milhões de anos – e o seu núcleo colapsa sobre si próprio.

No entanto, o buraco negro resultante, que tem uma massa de apenas cerca de 10 vezes a do Sol, está muito longe do buraco negro de 4 milhões de massa solar conhecido como Sagitário A*, que se encontra na nossa Galáxia, a Via Láctea. . Ou buracos negros supermassivos com massa de um bilhão de massas solares que existem em outras galáxias. Esses buracos negros gigantes podem formar-se a partir de buracos negros mais pequenos através da acumulação de gás e de estrelas e da fusão com outros buracos negros, o que demora milhares de milhões de anos.

Segredos revelados pelo Telescópio Espacial James Webb

Mas por que então o Telescópio Espacial James Webb detecta buracos negros supermassivos perto do início do tempo, milhares de anos antes de eles terem se formado? Astrofísicos da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, encontraram uma resposta tão misteriosa quanto os próprios buracos negros: a matéria escura impediu o hidrogênio de esfriar por tempo suficiente para que a gravidade o condensasse em nuvens grandes e densas o suficiente para se transformarem em buracos negros em vez de estrelas. . Os resultados foram publicados no dia 27 de agosto na revista Nature Communications. Cartas de revisão de materiais.

“Foi realmente incrível encontrar um buraco negro supermassivo com uma massa de um bilhão de massas solares quando o próprio universo tinha apenas meio bilhão de anos”, disse Alexander Kosenko, professor de física e astronomia da Universidade da Califórnia, em Los Angeles. e principal autor do estudo “É como encontrar um carro moderno entre ossos de dinossauro e perguntar quem construiu esse carro em tempos pré-históricos”.

Desafio de resfriamento de gás no espaço

Alguns astrofísicos levantaram a hipótese de que uma enorme nuvem de gás poderia entrar em colapso para formar diretamente um buraco negro supermassivo, contornando a longa história de queima, acreção e fusão de estrelas. Mas há um problema: a gravidade reunirá uma enorme nuvem de gás, mas não em uma enorme nuvem. Em vez disso, recolhe pedaços de gás em pequenos halos que flutuam próximos uns dos outros, mas não formam um buraco negro.

A razão para isto é que a nuvem de gás esfria muito rapidamente. Enquanto o gás estiver quente, sua pressão será capaz de resistir à gravidade. Mas se o gás arrefecer, a pressão cai e a gravidade pode prevalecer em muitas regiões pequenas, que colapsam em objetos densos antes que a gravidade tenha a oportunidade de puxar a nuvem inteira para um único buraco negro.

“A velocidade de resfriamento de um gás tem muito a ver com a quantidade de hidrogênio molecular”, disse o primeiro autor e estudante de doutorado Yifan Lu. “Átomos de hidrogênio ligados entre si em uma molécula dissipam energia quando encontram um átomo de hidrogênio solto milho“As moléculas de hidrogênio tornam-se agentes de resfriamento porque absorvem energia térmica e a irradiam. As nuvens de hidrogênio no universo primitivo continham muito hidrogênio molecular, e o gás esfriou rapidamente e formou pequenos halos em vez de grandes nuvens.”

Lu e o pesquisador de pós-doutorado Zachary Becker escreveram um código para calcular todos os processos possíveis para esse cenário e descobriram que a radiação adicional poderia aquecer o gás e separar as moléculas de hidrogênio, mudando a forma como o gás esfria.

“Se você adicionar radiação em uma determinada faixa de energia, ela destrói o hidrogênio molecular e cria condições que impedem a dissolução de grandes nuvens”, acrescentou Lu.

O papel da matéria escura na formação de buracos negros

Mas de onde vem a radiação?

Uma pequena fração da matéria do universo é do tipo que constitui nossos corpos, nosso planeta, as estrelas e tudo o mais que podemos observar. Na verdade, a grande maioria da matéria, que pode ser observada através dos seus efeitos gravitacionais sobre os corpos estelares e através da curvatura dos raios de luz provenientes de fontes distantes, consiste em algumas novas partículas que os cientistas ainda não conseguiram identificar.

As formas e propriedades da matéria escura são um mistério que ainda precisa ser resolvido. Embora não saibamos o que é a matéria escura, os cientistas de partículas há muito imaginam que ela pode conter partículas instáveis ​​que podem decair em fótons, as partículas de luz. A inclusão dessa matéria escura na simulação forneceu a radiação necessária para o gás sobreviver numa grande nuvem à medida que colapsa num buraco negro.

A matéria escura pode ser composta de partículas de decomposição lenta ou pode ser composta de mais de uma partícula ClassificarAlguns são estáveis ​​e alguns se decompõem precocemente. Em ambos os casos, o produto do decaimento pode ser radiação na forma de fótons, que decompõem o hidrogênio molecular e evitam que as nuvens de hidrogênio esfriem muito rapidamente. Mesmo a decomposição muito suave da matéria escura produz radiação suficiente para evitar o arrefecimento, a formação de grandes nuvens e, eventualmente, de buracos negros supermassivos.

“Esta pode ser a resposta à razão pela qual os buracos negros supermassivos foram detectados tão cedo,” disse Becker. “Se você é um optimista, também pode ler isto como uma evidência positiva para um tipo de matéria escura. Se estes buracos negros supermassivos se formaram como tal. como resultado do colapso de uma nuvem de gás, talvez devessem… A radiação adicional necessária viria da física desconhecida do setor escuro.”

Referência: “Colapso direto de buracos negros supermassivos devido ao decaimento de partículas residuais” por Yifan Lu, Zachary S.C. Baker e Alexander Kosenko, 27 de agosto de 2024, Cartas de revisão de materiais.
doi: 10.1103/PhysRevLett.133.091001