Astronomia

Como pode um buraco negro supermassivo ter 13 bilhões de anos?

Como pode um buraco negro supermassivo ter 13 bilhões de anos?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Um buraco negro supermassivo foi descoberto recentemente com 13 bilhões de anos. Este buraco negro tem 1,6 bilhão de vezes a massa do sol. Como esse buraco negro se formou tão rapidamente após o big bang? As teorias prevêem a formação de buracos negros supermassivos tão rapidamente?


A resposta para isso é desconhecida no momento.

O problema é que um "buraco negro de semente" que se acumula só pode se acumular a uma taxa limitada. A limitação é fornecida pela pressão de radiação do material que está agregando. Isso fornece feedback negativo e define uma taxa de acreção máxima para acreção esférica conhecida como limite de Eddington, que define uma luminosidade máxima e, portanto, uma taxa de acreção máxima (uma vez que a acreção fornece a luminosidade).

O resultado líquido é que o buraco negro pode crescer exponencialmente, com uma escala de tempo de crescimento de cerca de 30-40 milhões de anos. Ou seja, ele pode praticamente dobrar de massa nessa escala de tempo.

Agora, as primeiras estrelas primordiais podem ter sido muito mais massivas do que as grandes estrelas do universo hoje, como resultado de sua composição de hidrogênio / hélio puro. Mesmo se eles fossem capazes de formar até algumas centenas de buracos negros de massa solar, ainda levaria quase um bilhão de anos para construir um $ 10 ^ 9 M_ odot $ buraco negro, mesmo que tenha se acumulado à taxa máxima de Eddington durante todo esse tempo.

Isso é um pouco exagerado, então soluções alternativas estão sendo buscadas. Esses incluem

  1. Talvez você possa formar buracos negros ainda maiores a partir das primeiras nuvens de gás em colapso. Existem algumas idéias de que, se o gás primordial for ionizado pelas primeiras estrelas massivas, ele não se fragmentará em objetos "estelares". Isso pode permitir que você forme "estrelas" muito massivas (às vezes chamadas de "quase estrelas"), que têm buracos negros em seus centros em vez de núcleos de fusão nuclear. Isso pode crescer rapidamente para ficar em ordem $ 10 ^ 5 M _ { odot} $ Isso pode reduzir muitas escalas de tempo de crescimento exponencial, começando com uma semente mais massiva.

  2. Talvez você possa fundir buracos negros. Agora sabemos por detecções de ondas gravitacionais que as fusões podem ocorrer entre buracos negros com dezenas de massas solares para formar $ sim 100M_ odot $ buracos negros. Talvez no início do universo possa ter havido aglomerados de buracos negros de grande massa que conseguiram fundir-se uns com os outros em escalas de tempo curtas. Estes formariam um enorme buraco negro de sementes que poderia crescer com relativa rapidez.

  3. Existem algumas idéias sobre como o limite de Eddington pode ser contornado e a acumulação de massa pode prosseguir a taxas mais altas, talvez suprimindo a eficiência radiativa do buraco negro de acumulação (por exemplo, Li et al. 2012).


Quão massivo pode ter um buraco negro supermassivo?

Parece haver um limite - mas é da ordem de dezenas de bilhões de vezes a massa do sol. Relatórios de Belinda Smith.

Os cálculos sugerem que existe um limite para o tamanho que um buraco negro supermassivo pode se tornar antes de prejudicar seu próprio crescimento.

Na ilustração deste artista, um buraco negro supermassivo bilhões de vezes a massa do nosso Sol acrescenta matéria no coração de uma galáxia. Um novo estudo calcula se tem massa máxima.
NASA / JPL-Caltech

Kohei Inayoshi e Zoltan Haiman da Universidade de Columbia em Nova York, EUA, modelaram a evolução de um buraco negro supermassivo ao longo da vida do universo - 13,8 bilhões de anos - e descobriram que, uma vez que chegam a cerca de 10 bilhões de vezes a massa do sol, eles cima para fora.

Nesse ponto, a maioria do gás que flui para um buraco negro supermassivo e alimenta-o fica presa no disco circundante, desencadeando a formação de estrelas a anos-luz de distância e mais do que longe o suficiente para permanecer a salvo do buraco negro.

Com fome de combustível, o buraco negro retarda o crescimento. O trabalho, publicado em The Astrophysical Journal, explica por que não detectamos buracos negros supermassivos com mais de dez bilhões de massas solares hoje.

A maioria das galáxias grandes, pensou ele, abriga um buraco negro supermassivo em seu centro. Temos um no centro de nossa galáxia, a Via Láctea - pensa-se que ele tem cerca de 4,5 milhões de vezes mais massa do que o sol.

Mas é minúsculo para alguns dos monstros que detectamos. Alguns têm dezenas de bilhões de massas solares. Mas isso é tão grande quanto parece ser. Por que é isso?

Inayoshi e Haiman pensaram que o processo de rápido crescimento de buracos negros poderia eventualmente ser o que os retarda. Eles decidiram modelá-lo e ver o que aconteceu.

Para que um buraco negro supermassivo se tornasse maior do que o maior que já vimos, ele precisaria consumir cerca de 1.000 massas solares a cada ano.

Esse combustível tem que vir de algum lugar e com o passar do tempo, eles devem usar gás de mais longe. Mas uma vez que o gás é puxado dos confins da galáxia, ele fica preso dezenas de centenas de anos-luz do buraco negro.

A comida diminui para um gotejamento. Isso, por sua vez, muda a física do disco do buraco negro & # 8217s.

A parte interna do disco incha e libera fortes jatos, suprimindo ainda mais a alimentação e, portanto, o crescimento.

Os cálculos do limite superior do par & # 8217s suportam outro estudo publicado no Avisos mensais da Royal Astronomical Society por Andrew King, do Reino Unido & # 8217s University of Leicester & # 8217s, em dezembro do ano passado, que atribuiu o crescimento lento à fragmentação do disco.

Belinda Smith

Belinda Smith é jornalista de ciência e tecnologia em Melbourne, Austrália.

Leia fatos científicos, não ficção.

Nunca houve um momento mais importante para explicar os fatos, valorizar o conhecimento baseado em evidências e apresentar as mais recentes descobertas científicas, tecnológicas e de engenharia. Cosmos é publicado pela The Royal Institution of Australia, uma instituição de caridade dedicada a conectar as pessoas com o mundo da ciência. As contribuições financeiras, sejam elas grandes ou pequenas, nos ajudam a fornecer acesso a informações científicas confiáveis ​​no momento em que o mundo mais precisa delas. Apoie-nos fazendo uma doação ou adquirindo uma assinatura hoje.

Faça uma doação

Como um buraco negro supermassivo se origina

IMAGEM: Hai-Bo Yu é um físico teórico da UC Riverside com experiência nas propriedades das partículas da matéria escura.

RIVERSIDE, Califórnia - Os 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?

Uma equipe liderada por um físico teórico da Universidade da Califórnia, em Riverside, apresentou uma explicação: um enorme buraco negro de sementes que o colapso de um halo de matéria escura poderia produzir.

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 essa matéria misteriosa que constitui 85% da matéria do universo existe. Se a matéria visível de uma galáxia não estivesse incrustada em um halo de matéria escura, essa matéria se dispersaria.

"Os físicos estão intrigados por que SMBHs no início do universo, que estão localizados nas regiões centrais dos halos de matéria escura, crescem tão maciçamente em um curto período de tempo", disse Hai-Bo Yu, um professor associado de física e astronomia da UC Riverside, que conduziu o estudo que consta em Cartas de jornal astrofísico. "É como uma criança de 5 anos que pesa, digamos, 200 libras. Uma criança assim nos surpreenderia porque sabemos o peso típico de um bebê recém-nascido e como esse bebê pode crescer rápido. 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. "

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

"Podemos pensar em duas razões", acrescentou Yu. "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 semente massivo o suficiente ou alcançando uma taxa de crescimento rápida o suficiente? "

"Leva tempo para os buracos negros se tornarem massivos por acúmulo de matéria circundante", disse o co-autor Yi-Ming Zhong, 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, o colapso gravotérmico de um halo pode levar a um buraco negro de semente com massa suficiente. Sua taxa de crescimento seria mais consistente com as expectativas gerais."

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

"Este mecanismo, no entanto, 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", disse Yu. "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 de semente."

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

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 as empurra para fora. Se as partículas de matéria escura não têm interações próprias, então, à medida que a gravidade as puxa em direção ao halo central, elas se tornam mais quentes, isto é, se movem mais rápido, a pressão aumenta efetivamente e elas se recuperam. No entanto, no caso da matéria escura com auto-interação, as auto-interações da matéria escura podem transportar o calor dessas partículas "mais quentes" para as próximas mais frias. Isso torna difícil para as partículas de matéria escura se recuperarem.

Yu explicou que o halo central, que entraria em colapso em um buraco negro, tem momento angular, ou seja, ele 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.

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

O novo trabalho é inédito na medida em que os pesquisadores identificam a importância dos bárions - partículas atômicas e moleculares comuns - para que essa ideia funcione.

"Primeiro, mostramos que 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 poderia ser criado a tempo", disse Wei-Xiang Feng, estudante de graduação de Yu e um co-autor no artigo. "Em segundo lugar, mostramos que as auto-interações podem induzir a 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 semente poderia formulário se a condição for satisfeita. "

Durante a 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.

"Em muitas galáxias, estrelas e gás dominam suas regiões centrais", disse ele. "Portanto, é natural perguntar como a presença dessa matéria bariônica afeta o processo de colapso. Mostramos que 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. "


Informação adicional

Esses resultados de observação são apresentados como Takuma Izumi et al. & # 8220 Exploração Subaru High-z de quasares de baixa luminosidade (SHELLQs). XIII. Feedback em larga escala e formação de estrelas em um quasar de baixa luminosidade em z = 7.07, & # 8221 no Astrophysical Journal em 14 de junho de 2021.

O lançamento da imagem original foi publicado pelo Observatório Astronômico Nacional do Japão (NAOJ), um parceiro do ALMA em nome do Leste Asiático.

Esta pesquisa foi apoiada pela Sociedade Japonesa de Promoção da Ciência (JSPS) KAKENHI (No. JP20K14531, JP17H06130, 1146 JP17H01114, JP19J00892), a Iniciativa Líder para Jovens Pesquisadores Excelentes, MEXT, Japão (HJH02007), NAOJ ALMA Scientific Research Grant ( 2017-06B, 2020-16B), espanhol MICINN (PID2019-10GB-C33 e & # 8220Unit of Excellence María de Maeztu 2020-2023 & # 8221 concedido ao ICCUB (CEX2019-000918-M)), National Science Foundation of China (11721303 , 11991052, 11950410493, 12073003), National Key R & ampD Program of China (2016YFA0400702), European Research Council (ERC) Consolidator Grant Scheme (project ConTExt, grant No. 648179), Independent Research Fund Denmark grant DFF-7014-00017 e Fundação Nacional de Pesquisa Dinamarquesa sob o subsídio nº 140.

O Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), uma instalação astronômica internacional, é uma parceria entre o European Southern Observatory (ESO), a US National Science Foundation (NSF) e os National Institutes of Natural Sciences (NINS) do Japão em cooperação com a República do Chile. ALMA é financiado pelo ESO em nome dos seus Estados-Membros, pela NSF em cooperação com o National Research Council of Canada (NRC) e o Ministério da Ciência e Tecnologia (MOST) em Taiwan e pela NINS em cooperação com a Academia Sinica (AS) em Taiwan e no Instituto Coreano de Astronomia e Ciência Espacial (KASI).

A construção e as operações do ALMA são lideradas pelo ESO em nome dos seus Estados-Membros pelo National Radio Astronomy Observatory (NRAO), gerido por Associated Universities, Inc. (AUI), em nome da América do Norte e pelo National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) ) em nome da Ásia Oriental. O Joint ALMA Observatory (JAO) fornece a liderança e gerenciamento unificados da construção, comissionamento e operação do ALMA.


Astrônomos encontram o buraco negro supermassivo mais antigo do universo

Os astrônomos descobriram cerca de 750.000 quasares, que estão entre os objetos mais brilhantes e energéticos do universo. Apesar de sua designação pouco inspiradora, J0313-1806 é diferente de outros quasares. Este objeto recentemente localizado é o quasar mais antigo conhecido no universo, com um buraco negro supermassivo de mais de 13 bilhões de anos. Na verdade, é tão antigo e grande que os cientistas não sabem exatamente como ele poderia ter se formado.

Os primeiros quasares foram descobertos em meados do século 20, mas só várias décadas depois é que começamos a entender o que eram esses objetos. Um quasar é um núcleo galáctico ativo no qual o buraco negro supermassivo que ancora a galáxia puxa a matéria para formar um disco de acreção gasoso. Toda essa matéria colidindo ao entrar em espiral no buraco negro libera uma torrente de energia eletromagnética que serve como a marca registrada desses objetos. J0313-1806, por exemplo, brilha 1.000 vezes mais brilhante do que toda a nossa galáxia.

J0313-1806 está longe & # 8212 13,03 bilhões de anos-luz para ser exato. Isso significa que estamos vendo este objeto como ele foi apenas 670 milhões de anos após o Big Bang, e ele & # 8217s ainda enorme. Os astrônomos estimam que J0313-1806 tenha cerca de 1,6 bilhões de massas solares como idade observada. Isso não está fora da linha para um buraco negro supermassivo em outras partes do universo, mas eles tiveram mais tempo para aspirar a matéria e ficar maior. J0313-1806 não deveria ter tido tempo no universo primitivo para crescer tanto.

A equipe usou instrumentos terrestres como o Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) e o Mauna Kea Observatories (MKO) para localizar o J0313-1806 no ano passado. Ele derrotou o detentor do recorde anterior de quasar mais antigo, que é cerca de 20 milhões de anos mais jovem. Os modelos atuais de formação de contenção negra assumem o colapso de uma estrela para formar uma singularidade, mas a & # 8220 massa da semente & # 8221 para J0313-1806 teria que ser de pelo menos 10.000 massas solares para atingir 1,6 bilhão tão rapidamente.

O buraco negro supermassivo M87 fotografado em 2019.

O estudo apresenta uma hipótese para explicar a existência desse quasar bizarro, conhecido como cenário de colapso direto. Neste modelo, não foi uma estrela em colapso que formou o buraco negro supermassivo. Em vez disso, uma enorme nuvem de gás hidrogênio frio colapsou para dentro para formar um buraco negro muito maior do que qualquer fonte estelar poderia produzir. Isso poderia explicar por que os astrônomos veem tantos buracos negros gigantescos no início do universo.

Infelizmente, J0313-1806 está tão distante que não podemos reunir muito mais detalhes com a tecnologia atual. O próximo James Webb Space Telescope poderia, no entanto, ser suficientemente preciso para objetos de imagem como J0313-1806. Após muitos anos de atrasos, a NASA planeja lançar o telescópio Webb no final de 2021.


Astrônomos encontram o buraco negro supermassivo mais distante de todos os tempos

Os astrônomos descobriram o buraco negro supermassivo mais distante de todos os tempos. Chamado J0313-1806, o buraco negro supermassivo está em um quasar localizado a mais de 13 bilhões de anos-luz de nós. E o buraco negro é tão gigantesco que é 1,6 bilhão de vezes maior que o nosso sol.

Um quasar é o objeto mais brilhante em todo o universo e está localizado no centro de uma galáxia. Dentro de um quasar existe um buraco negro supermassivo que é milhões a bilhões de vezes maior do que um sol. Uma vez que os buracos negros contêm uma quantidade excepcional de gravidade que captura poeira e gás (e pode até mesmo destruir estrelas), um círculo de detritos gira em torno do buraco negro em velocidades muito altas que emitem quantidades gigantescas de energia que podem ser vistas da Terra como um brilhante luz. E J0313-1806 é incrivelmente brilhante, pois é aproximadamente mil vezes mais brilhante do que a Via Láctea.

Os astrônomos detectaram o quasar usando vários observatórios, como o Atacama Large Millimeter / submillimeter Array no Chile, bem como dois observatórios no Havaí que estão localizados em Mauna Kea. Após sua detecção, os especialistas puderam determinar sua distância de nós e até mesmo estudar seu buraco negro supermassivo.

Um exemplo de buraco negro.

Embora essa descoberta seja realmente fascinante, ela também levanta algumas questões. Por exemplo, uma vez que se formou quando o universo tinha apenas 670 milhões de anos, contradiz o entendimento anterior de como eles crescem - não teria sido possível que um buraco negro daquele tamanho gigantesco se formasse em tão pouco Tempo.

Xiaohui Fan, que é astrônomo da Universidade do Arizona e autor do estudo, explicou isso em mais detalhes: “Para que o buraco negro tivesse crescido até o tamanho que vemos com J0313-1806, ele teria que ter começou com um buraco negro de semente de pelo menos 10.000 massas solares. ” “Isso só seria possível no cenário de colapso direto.” Em vez de estrelas colapsando no buraco negro, podem ter sido grandes quantidades de gás hidrogênio frio.

E não acabou de crescer, pois os especialistas acreditam que o buraco negro devora o equivalente a 25 massas solares a cada ano, de acordo com dados espectrais que coletaram. “Esses quasares provavelmente ainda estão no processo de construção de seus buracos negros supermassivos”, observou Fan.

Outro exemplo de buraco negro.

Feige Wang, que é astrônomo da University of Arizona & # 8217s Steward Observatory e outro autor do estudo, acrescentou: "Esta é a primeira evidência de como um buraco negro supermassivo está afetando sua galáxia hospedeira ao seu redor", acrescentou , “Por observações de galáxias menos distantes, sabemos que isso tem que acontecer, mas nunca vimos isso acontecer tão cedo no universo.” A impressão de um artista sobre a aparência de J0313-1806 pode ser vista aqui.


Notas

[1] Para obter mais informações, consulte o comunicado de imprensa do Telescópio Subaru emitido em 13 de março de 2019, & # 8220Astrônomos descobrem 83 buracos negros supermassivos no universo inicial & # 8220. O número de galáxias com buracos negros supermassivos descobertos era de 83 na época deste anúncio, mas o número de descobertas agora aumentou para mais de 100.

[2] O redshift deste objeto é z = 7,07. Usando os parâmetros cosmológicos medidos com Planck (H0 = 67,3km / s / Mpc, Ωm = 0,315, Λ = 0,685: Resultados do Planck 2013), podemos calcular a distância ao objeto em 13,1 bilhões de anos-luz. (Consulte & # 8220 Expressando a distância para objetos remotos & # 8221 para obter os detalhes.)


Conteúdo principal

“Os 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?

Uma equipe liderada por um físico teórico da Universidade da Califórnia, em Riverside, apresentou uma explicação: um enorme buraco negro de sementes que o colapso de um halo de matéria escura poderia produzir.

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 essa matéria misteriosa que constitui 85% da matéria do universo existe. Se a matéria visível de uma galáxia não estivesse incrustada em um halo de matéria escura, essa matéria se dispersaria.

“Os físicos estão intrigados por que SMBHs no início do universo, que estão localizados nas regiões centrais dos halos de matéria escura, crescem tão maciçamente em um curto período de tempo”, disse Hai-Bo Yu, um professor associado de física e astronomia na UC Riverside, que liderou o estudo que aparece no Astrophysical Journal Letters. “É como uma criança de 5 anos que pesa, digamos, 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. No que diz respeito aos buracos negros, os físicos têm expectativas gerais sobre a massa de um buraco negro semente e sua taxa de crescimento. A presença de SMBHs sugere que essas expectativas gerais foram violadas, exigindo novos conhecimentos. E isso é emocionante. ”

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

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

“Leva tempo para os buracos negros crescerem ao se acumularem matéria circundante”, disse o co-autor Yi-Ming Zhong, pesquisador de pós-doutorado no Instituto Kavli de Física Cosmológica da Universidade de Chicago. “Nosso artigo mostra que, se a matéria escura tem autointerações, o colapso gravotérmico de um halo pode levar a um buraco negro de semente com massa suficiente. Sua taxa de crescimento seria mais consistente com as expectativas gerais. ”

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

“Este mecanismo, no entanto, 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”, disse Yu. “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 de semente.”

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

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 as empurra para fora. Se as partículas de matéria escura não têm interações próprias, então, à medida que a gravidade as puxa em direção ao halo central, elas se tornam mais quentes, isto é, se movem mais rápido, a pressão aumenta efetivamente e elas se recuperam. No entanto, no caso da matéria escura auto-interagente, a auto-interação da matéria escura pode transportar o calor dessas partículas “mais quentes” para as próximas mais frias. Isso torna difícil para as partículas de matéria escura se recuperarem.

Yu explicou que o halo central, que entraria em colapso em um buraco negro, tem momento angular, ou seja, ele 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.

“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”, disse Yu. “Assim, ele pode se transformar em um buraco negro supermassivo em uma escala de tempo relativamente curta.”

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

“Primeiro, mostramos que 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 poderia ser criado a tempo”, disse Wei-Xiang Feng, estudante de graduação de Yu e um co-autor no artigo. “Em segundo lugar, mostramos que as auto-interações podem induzir a 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 de semente possa se formar se a condição for satisfeita. ”

Durante a 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.

“Em muitas galáxias, estrelas e gás dominam suas regiões centrais”, disse ele. “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. ”

O estudo foi financiado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos da NASA, o Instituto Kavli de Física Cosmológica e a Fundação John Templeton.

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


Construindo um buraco negro supermassivo em menos de um bilhão de anos

Comentários do leitor

Compartilhe esta história

Décadas de astronomia revelaram que buracos negros supermassivos, pesando bilhões de vezes a massa do Sol, habitam os centros da maioria das galáxias, senão de todas elas. Em algumas galáxias, esses buracos negros energizam quasares, nos quais a matéria energética próxima ao buraco negro emite grandes quantidades de luz. Esse resultado nos ajudou a localizar quasares a grandes distâncias, o que significa que eles datam de quando o Universo tinha apenas algumas centenas de milhões de anos.

Isso levanta uma questão óbvia: como você pode construir algo tão grande em uma questão de tempo (relativamente) tão curta? Uma revisão na edição de hoje da Ciência (parte de uma série de artigos dedicados a buracos negros) descreve vários meios potenciais para gerar um buraco negro deste tamanho em um cronograma muito apertado.

A maioria dos buracos negros é produzida por supernovas, desencadeadas por estrelas com menos de 100 vezes a massa do Sol. Eles deixam para trás buracos negros que têm apenas algumas vezes a massa solar. Embora eles possam crescer extraindo material de seu ambiente, isso exigiria uma taxa de crescimento muito alta por um longo tempo - simplesmente não é realista que eles tenham dado origem aos gigantes nos núcleos das galáxias.

Mas há muitos motivos para pensar que eles não precisariam fazer isso. Vários modelos de formação de estrelas indicam que as primeiras estrelas tinham centenas de vezes a massa do Sol, muito maiores do que quaisquer estrelas que temos certeza que existem hoje. Isso porque eles se formaram na ausência de elementos mais pesados, o que permite uma formação estelar mais eficiente ao irradiar o calor gerado pelo colapso gravitacional da estrela. Sem nenhum desses elementos pesados ​​ao redor, as estrelas tinham que ser muito mais pesadas para superar seu próprio calor.

Na extremidade superior, esses pesos ultra-pesados ​​não tinham o tipo de ciclo de vida que associamos às estrelas no Universo atual. As estrelas modernas encontram um equilíbrio entre a força da gravidade interna e a pressão externa impulsionada pela fusão e podem queimar por bilhões de anos. Nessas estrelas primitivas, a gravidade é tão grande que a fusão nunca tem chance - elas simplesmente colapsam diretamente em um buraco negro que pesa cerca de 200 vezes a massa do Sol. Se um número suficiente destes se formou no coração das primeiras galáxias, fusões e um rápido acúmulo de gás podem ser suficientes para fazê-los crescer rapidamente.

Uma variação dessa ideia muda as fusões anteriores. Nesse modelo, as estrelas iniciais não precisam ser tão grandes - o que pode ser uma coisa boa, visto que alguns modelos de formação de estrelas agora estão sugerindo que estrelas mais leves poderiam ter se formado no início do Universo. Nos centros densos das primeiras galáxias, no entanto, essas estrelas poderiam colidir e se fundir, formando uma estrela supermassiva, algumas mil vezes a massa do Sol. Se isso acontecer rapidamente, a estrela pode colapsar diretamente em um buraco negro que tem 1.000 vezes a massa do Sol.

Finalmente, a opção mais exótica que está sendo considerada é aquela em que as instabilidades dinâmicas em uma grande nuvem de gás podem criar uma queda repentina e rápida, rápida o suficiente para superar a pressão externa da fusão. Nesse caso, o núcleo da estrela entraria em colapso em um buraco negro, mesmo que mais material continue caindo nas camadas externas do corpo. This would create something that's a hollow shell of "star" surrounding a large black hole that would siphon off material just a bit faster than it arrived. By the time the black hole had swallowed the shell entirely, models suggest it could be as massive as a million Suns.

How can we distinguish among these models? One option would be to study more quasars at the most distant edges of the visible Universe, since these would be the oldest and thus the closest to the original formation of their black holes. But the best option would be to have a record of the violent events that produce them. For that, we have to wait for the further development of gravity wave detectors.

None of these mechanisms provide for a black hole with billions of solar masses. But the star forming regions of the early Universe were probably dense enough that collisions among small protogalaxies were common, and these should lead to mergers of these central black holes. But that's something we do have a grip on, as demonstrated by a video of merger simulations that accompanied Science's black hole package.


Supporting 'Coevolution' Notion

Remarkably, the bulge's mass in J1243+0100 was discovered to be approximately 30 billion times larger than that of the sun, whereas the mass of the supermassive black hole of the galaxy was approximated to be roughly one percent of that.

The ratio is vitally the same as the black holes' mass ratio to the galaxy in today's universe. To the researchers, this validates how important black holes are in impacting the galaxies' growth, supporting the idea of coevolution from the universe's early period.

Commenting on their finding from the study entitled, "Subaru High-z Exploration of Low-Luminosity Quasars (SHELLQs). XIII. Large-scale Feedback and Star Formation in a Low-Luminosity Quasar at z = 7.07 on the Local Black Hole to Host Mass Relation", published in the Astrophysics Journal, Izumi said that their observations support recent "high-precision computer simulations" which have forecasted that coevolutionary associations were in place even at roughly 13 billion years back.

The researchers are now planning to observe in the future a large pool of space objects with the objective of clarifying whether the primordial coevolution seen in the object is a precise image of the general universe at that time or not Izumi commented further.

Related information about galactic winds is shown on The Real MLordandGod's YouTube video below:

Check out more news and information on Space on Science Times.