Será que buracos negros supermassivos surgiram logo após o Big Bang?

Será que buracos negros supermassivos surgiram logo após o Big Bang?

Por Daniele Cavalcante | Editado por Patrícia Gnipper | 26 de Outubro de 2021 às 16h10
ESA/Hubble, N. Bartmann

Será que os buracos negros supermassivos surgiram nos primeiros momentos após o Big Bang? Se a resposta for sim, como os astrônomos poderiam confirmar isso? Essas perguntas já não são uma novidade, mas um novo estudo propõe que esses objetos antigos poderiam conter uma “impressão digital” da infância do universo.

Os astrônomos ainda não têm muita certeza de como os buracos negros supermassivos, que habitam os núcleos das galáxias e possuem milhões e até bilhões de massas solares, se formaram no universo. É que alguns deles já existiam quando o universo tinha menos que um bilhão de anos — um deles surgiu quando o cosmos tinha menos de 700 milhões de anos, de acordo com os cálculos.

Para saber a idade desses objetos, os astrônomos medem a distância e o tempo que a radiação emitida por eles — geralmente em raios X e rádio — leva para chegar até nós. Como alguns desses objetos estão a cerca de 13 bilhões de anos-luz de distância, sabemos que a radiação levou 13 bilhões de anos-luz para chegar até os telescópios, enquanto o universo tem aproximadamente 13,8 bilhões de anos.

Concepção artística do universo primordial, segundo teorias e hipóteses (Imagem: Reprodução/ESA/Science Office)

A conclusão óbvia é que esses buracos negros já eram supermassivos quando o cosmos tinha apenas 800 ou 700 milhões de anos, mas nenhum processo conhecido pelos astrônomos explica como eles poderiam ganhar tanta massa tão rapidamente. Então, como eles surgiram? Muitas hipóteses já foram descartadas, mas ainda há algumas que valem a pena investigar, como é o caso da ideia apresentada pelo novo estudo.

Um dos tipos de buracos negros cuja existência ainda não foi comprovada é o dos buracos negros primordiais, formados logo após o Big Bang. Os modelos de formação desses objetos não sobreviveram às tentativas de validar a ideia, mas ainda há algumas coisas para experimentar. Uma delas é potencialmente permitida pelas observações: buracos negros com cerca de 100 mil vezes a massa do Sol que se formaram no primeiro segundo do Big Bang.

Tais objetos conseguiriam devorar rapidamente qualquer matéria circundante, ganhando massa o suficiente para se tornarem os buracos negros supermassivos que os astrônomos observam hoje. Mas como saber se um buraco negro pertence à classe dos primordiais? Segundo os autores do novo estudo, a resposta pode estar nos gases que estão perto deles.

Buraco negro supermassivo com disco de acreção ao redor e jato relativístico (Imagem: ReproduçãoNASA/JPL-Caltech)

Ao contrário de buracos negros supermassivos, que interagiriam e afetariam seus arredores no início do Big Bang — caso tenham existido —, perturbando o plasma da “sopa” primordial do universo, os buracos negros primordiais com massas de 100 mil sóis teriam um efeito muito mais sutil, argumentam os autores da pesquisa. Eles não teriam massa o suficiente para, com seus campos gravitacionais, atrair matéria e perturbar seriamente a física do universo primordial.

Além disso, a era da nucleossíntese, período de 10 segundos a 20 minutos após o Big Bang, quando os primeiros elementos leves se formaram a partir do plasma do Big Bang, seria afetada se houvessem buracos negros supermassivos, resultando em uma mudança na mistura dos elementos resultante (essencialmente hidrogênio e hélio, além de uma pequena quantidade de outros elementos, como lítio, deutério, trítio e berílio).

Mas, outra vez, essa interferência não ocorreria se houvessem buracos negros de 100 mil massas solares. Eles não interromperiam esse processo, e deixariam a quantidade de hidrogênio e hélio praticamente a mesma daquela que os astrônomos sabem que se formou em todo o cosmos. Entretanto, mesmo esses buracos negros mais leves ainda influenciariam seus arredores, atraindo um pouco de matéria para suas órbitas.

Cada ponto neste mapa é um buraco negro supermassivo (Imagem: Reprodução/LOFAR/LOL Survey)

E é aqui que o novo artigo se concentra em explicar como diferenciar um buraco negro primordial dos mais jovens. Se o gás ao redor deles pudesse manter uma “memória” daquela época, os cientistas poderiam usá-la para tentar provar a existência dos buracos negros primordiais. Na prática, os gases observados em torno dos buracos negros supermassivos mais antigos teriam uma composição diferente da média encontrada no universo mais jovem.

Os autores do artigo afirmam que os buracos negros primordiais poderiam aumentar a quantidade de hélio em cerca de 10% e diminuir a quantidade de lítio em cerca de 10%. Se o ambiente ao redor de algum buraco negro supermassivo corresponder a essas alterações, seria uma evidência que comprovaria a época em que eles se formaram — os primeiros momentos após o Big Bang.

Os autores admitem que observar essa diferença não seria fácil, mas esperam que o Telescópio Espacial James Webb da NASA, a ser lançado no final deste ano, pode conseguir coletar esses dados. Isso seria como procurar as impressões digitais de um universo ainda juvenil, antes da formação das primeiras estrelas e galáxias, e comprovar a existência dos hipotéticos buracos negros primordiais, além de revelar as origens dos próprios supermassivos.

O estudo ainda aguarda revisão por pares, mas já está disponível para consulta no repositório arXiv.

Fonte: Space.com

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