Como surge um buraco negro supermassivo?

Um halo de matéria escura pode ser a resposta para a pergunta de como surge um buraco negro supermassivo, diz estudo.

A pergunta sobre como surge um buraco negro supermassivo foi explicada pela equipe liderada por um físico teórico da Universidade da Califórnia, em Riverside: um enorme buraco negro originado por um halo de matéria escura.

Um halo de matéria escura é a 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 existente em todo o Universo. Se a matéria visível de uma galáxia não estivesse incrustada em um halo de matéria escura, essa matéria se dispersaria; e isso pode explicar como surge um buraco negro supermassivo.

“Os físicos estão intrigados pelo fato de os buraco negros supermassivos estarem localizados nas regiões centrais dos halos de matéria escura e crescerem tão maciçamente em um curto período de tempo”, disse Hai-Bo Yu, professor associado de Física e Astronomia da UC Riverside, que liderou o estudo publicado no Astrophysical Journal Letters .

“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 então surge 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?“, questionou.

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

“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, 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.”

Na astrofísica, um mecanismo popular usado para explicar como surge um buraco supermassivo 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 experimenta instabilidade gravotérmica e sua região central colapsa em um buraco negro de semente.”, diz.

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, conforme 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.”, conclui.

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. “, conclui.

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 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. “, conclui.

Traduzido deste site.