A matéria negra pode ter ajudado a criar buracos negros supermassivos no início dos tempos
Novos dados sobre a formação de buracos negros supermassivos respondem à questão de saber como é que estes se podem ter formado no início dos tempos. O estudo foi publicado por astrofísicos da UCLA na revista Physical Review Letters.
A formação de um buraco negro supermassivo demora muito tempo. Normalmente, o nascimento de um buraco negro ocorre quando uma estrela gigante com uma massa equivalente a pelo menos 50 sóis se queima (um processo que pode demorar milhares de milhões de anos) e o seu núcleo colapsa sobre si próprio.
O Sagittarius A* é um buraco negro de quatro milhões de massas solares que se encontra na Via Láctea e está muito longe dos mil milhões de massas solares de buracos negros supermassivos que se encontram noutras galáxias. Os buracos negros gigantes formam-se a partir de buracos negros mais pequenos por acreção de estrelas e gás, ou por fusões de buracos negros, que demoram milhares de milhões de anos.
Agora, o Telescópio Espacial James Webb está a descobrir buracos negros supermassivos perto do início dos tempos, éons antes de se deverem ter formado. Os astrofísicos da UCLA pensam ter a resposta: a matéria negra impediu que o hidrogénio arrefecesse o tempo suficiente para que a gravidade o condensasse em nuvens suficientemente densas e grandes para se tornarem buracos negros em vez de estrelas.
“Foi surpreendente encontrar um buraco negro supermassivo com mil milhões de massas solares quando o próprio Universo tem apenas 500 milhões de anos”, disse o autor principal Alexander Kusenko, professor de física e astronomia na UCLA. “É como encontrar um automóvel moderno entre ossos de dinossauros e perguntar-se quem o construiu na pré-história.
Alguns astrofísicos afirmam que uma grande nuvem de gás poderia colapsar para formar diretamente um buraco negro supermassivo, evitando a necessidade de queima estelar, acreção e fusões. No entanto, a gravidade puxará uma grande nuvem de gás para junto de si, mas não a transformará numa grande nuvem. Em vez disso, juntaria secções do gás em pequenos halos que flutuariam perto uns dos outros, mas não formariam um buraco negro.
Isto acontece porque a nuvem de gás arrefece muito rapidamente e só quando está quente é que pode contrariar a gravidade. Quando o gás arrefece, a pressão diminui e a gravidade prevalece em pequenas regiões, fazendo-as colapsar e formar objetos densos antes que a gravidade tenha a oportunidade de puxar a nuvem para um único buraco negro.
“A rapidez com que o gás arrefece tem muito a ver com a quantidade de hidrogénio molecular”, disse o estudante de doutoramento e primeiro autor Yifan Lu. “Os átomos de hidrogénio ligados entre si numa molécula dissipam energia quando encontram um átomo de hidrogénio solto. As moléculas de hidrogénio tornam-se agentes de arrefecimento ao absorverem energia térmica e ao irradiá-la. As nuvens de hidrogénio no início do Universo tinham demasiado hidrogénio molecular e o gás arrefeceu rapidamente, formando pequenos halos em vez de grandes nuvens”.
O investigador de pós-doutoramento Zachary Picker e Lu criaram um código para calcular todos os processos possíveis neste cenário e descobriram que a radiação adicionada poderia aquecer o gás e dissociar as moléculas de hidrogénio, o que alteraria a forma como o gás arrefece.
“Se adicionarmos radiação numa determinada gama de energia, destruímos o hidrogénio molecular e criamos condições que impedem a fragmentação de grandes nuvens”, disse Lu.
Mas de onde é que vem a radiação?
Apenas uma pequena parte da matéria do Universo constitui o nosso corpo, os planetas e as estrelas, entre outras coisas que podemos ver. A maior parte da matéria é constituída por algumas partículas novas, que os cientistas ainda não conseguiram identificar.
As propriedades e formas da matéria negra são um verdadeiro mistério que continua por resolver. Embora se saiba de que é composta a matéria negra, os teóricos das partículas especularam que pode conter partículas instáveis que decaem em fotões (partículas de luz). A inclusão de matéria negra nas simulações fornece a radiação necessária para que o gás permaneça numa grande nuvem à medida que colapsa num buraco negro.
A matéria negra pode ser constituída por partículas que decaem lentamente ou por mais do que uma espécie de partículas, algumas das quais decaem em fases iniciais e outras são estáveis. Em ambas as situações, o produto de decaimento poderia ser radiação sob a forma de fotões. Isto desintegraria o hidrogénio molecular e impediria o arrefecimento das nuvens de hidrogénio, formando grandes nuvens que se transformariam em buracos negros supermassivos.
“Isto pode ser a solução para o facto de os buracos negros supermassivos serem encontrados tão cedo”, disse Picker. "Se for otimista, pode também ler isto como uma prova positiva de um tipo de matéria negra. Se estes buracos negros supermassivos se formassem pelo colapso de uma nuvem de gás, talvez a radiação adicional necessária tivesse de vir da física desconhecida do setor escuro”.