Como criar um buraco negro a partir do nada

Quantas maneiras existem de deixar este universo?

Talvez o diretor mais famoso implique a morte de uma estrela. Em 1939, o físico J. Robert Oppenheimer e seu aluno Hartland Snyder, da Universidade da Califórnia, Berkeley, descobriram que quando uma estrela suficientemente massiva fica sem combustível termonuclear, ela colapsa para dentro e continua a colapsar para sempre, encolhendo o espaço, o tempo e o espaço. A luz se transforma no que hoje é chamado de buraco negro.

Mas acontece que uma estrela morta pode não ser necessária para formar um buraco negro. Em vez disso, pelo menos no Universo primitivo, nuvens gigantes de gás primordial podem ter colapsado diretamente em buracos negros, ultrapassando os seus milhões de anos de estrelato.

Esta é a conclusão provisória a que chegou recentemente um grupo de astrónomos que estuda o UHZ-1, um ponto de luz que data pouco depois do Big Bang. Na verdade, o UHZ-1 é (ou foi) um poderoso quasar que disparou fogo e raios X de um buraco negro supermassivo há 13,2 mil milhões de anos, quando o Universo ainda não tinha 500 milhões de anos.

Em termos cosmológicos, isto é invulgarmente próximo, já que um buraco negro supermassivo poderia vir a existir através de colapsos e fusões de estrelas. Priyamvada Natarajan, astrônomo da Universidade de Yale e autor principal do Artigo publicado na revista Astrophysical LettersEla e seus colegas confirmam que descobriram em UHZ-1 um novo tipo celestial, que chamam de galáxia de buraco negro supermassivo, ou OBG. Na sua essência, a OBG é uma jovem galáxia ancorada por um buraco negro que se tornou muito grande, muito rapidamente. .

A descoberta deste quasar primitivo pode ajudar os astrónomos a resolver um mistério relacionado que os tem intrigado durante décadas. Quase todas as galáxias visíveis no universo moderno parecem conter no seu centro um buraco negro supermassivo com milhões ou milhares de milhões de vezes a massa do Sol. De onde vieram esses monstros? É possível que buracos negros comuns cresçam tão rapidamente?

Natarajan e seus colegas sugerem que o UHZ-1, e talvez muitos buracos negros supermassivos, começaram como nuvens primordiais. Estas nuvens podem ter colapsado em grãos que eram prematuramente pesados, o suficiente para iniciar o crescimento de galáxias massivas de buracos negros. É outro lembrete de que o universo que vemos é governado por uma geometria invisível de escuridão.

“Como o primeiro candidato OBG, o UHZ-1 fornece evidências convincentes da formação de proto-sementes pesadas a partir do colapso direto no Universo primordial”, escreveram a Dra. Natarajan e seus colegas. “Parece que a natureza cria sementes BH de muitas maneiras”, acrescentou ela por e-mail, “além da morte das estrelas!”

“Bria encontrou um buraco negro muito interessante, se for verdade”, disse Daniel Holz, teórico da Universidade de Chicago que estuda buracos negros.

Ele acrescentou: “É simplesmente muito grande e muito cedo. É como olhar para uma sala de aula do jardim de infância e, entre todas as crianças de 5 anos, há uma que pesa 150 quilos e/ou um metro e oitenta de altura.

Segundo a história, os astrónomos continuam a contar-se sobre a evolução do Universo, as primeiras estrelas condensaram-se a partir de nuvens de hidrogénio e hélio que sobraram do Big Bang. Eles queimaram quente e rápido, explodindo e colapsando rapidamente para formar buracos negros com 10 a 100 vezes a massa do Sol.

Ao longo das eras, sucessivas gerações de estrelas formaram-se a partir das cinzas de estrelas anteriores, enriquecendo a química do universo. Os buracos negros que sobraram das suas mortes continuaram a fundir-se e a crescer de alguma forma, formando buracos negros supermassivos nos centros das galáxias.

O Telescópio Espacial James Webb, lançado há dois anos neste Natal, foi concebido para testar esta ideia. Possui o maior espelho do espaço, medindo 21 pés de diâmetro. Mais importante ainda, foi concebido para registar os comprimentos de onda infravermelhos emitidos pela luz das estrelas mais distantes e, portanto, mais antigas do Universo.

Mas assim que o novo telescópio fosse apontado para o céu, poderia ver novas galáxias tão massivas e brilhantes que desafiavam as expectativas dos cosmólogos. Nos últimos dois anos, surgiram discussões sobre se estas observações realmente ameaçam um modelo de longa data do universo. O modelo descreve o universo como consistindo de um traço de matéria visível, quantidades surpreendentes de “matéria escura”, que fornece gravidade para unir as galáxias, e “energia escura”, que separa essas galáxias.

A descoberta do UHZ-1 representa um ponto de inflexão nessas discussões. Para se preparar para futuras observações com o Telescópio Espacial James Webb de um enorme aglomerado de galáxias na constelação do Escultor, a equipe do Dr. Natarajan solicitou tempo no Observatório de Raios-X Chandra da NASA. A massa do aglomerado atua como uma lente gravitacional, ampliando os objetos atrás dele no espaço e no tempo. Os pesquisadores esperavam obter um vislumbre de raios X do que quer que a lente pudesse estar vendo.

O que encontraram foi um quasar alimentado por um buraco negro supermassivo com cerca de 40 milhões de vezes a massa do Sol. Outras observações do Telescópio Webb confirmaram que estava a 13,2 mil milhões de anos-luz de distância. (O Aglomerado do Escultor está localizado a cerca de 3,5 bilhões de anos-luz de distância.) Foi o quasar mais distante e antigo já descoberto no universo.

“Precisávamos do Webb para encontrar esta galáxia notavelmente distante e do Chandra para encontrar o seu buraco negro supermassivo”, disse Akos Bogdan, do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, num comunicado de imprensa. “Também aproveitamos uma lupa cósmica que aumentou a quantidade de luz que detectamos.”

Os resultados indicam que buracos negros supermassivos existiram 470 milhões de anos após o Big Bang. Isso não é tempo suficiente para permitir que os buracos negros criados pela primeira geração de estrelas – variando de 10 a 100 massas solares – cresçam tanto.

Haveria outra maneira de formar buracos negros maiores? Em 2017, o Dr. Natarajan sugeriu que o colapso das nuvens de gás primordial poderia dar origem a buracos negros 10.000 vezes mais massivos que o Sol.

“Você pode então imaginar um deles crescendo mais tarde para formar este pequeno e grande buraco negro”, disse o Dr. Como resultado, observou ele, “em cada momento subsequente na história do universo, sempre haverá alguns buracos negros surpreendentemente grandes”.

“O facto de estes objetos terem começado em vidas hipermassivas significa que é provável que acabem por evoluir para buracos negros supermassivos”, disse o Dr. Mas ninguém sabe como isso funciona. Os buracos negros representam 10% da massa do quasar UHZ-1, enquanto representam menos de um milésimo da massa das galáxias modernas, como a galáxia gigante Messier 87, cujo buraco negro tem uma massa de 6,5 massas. Um bilhão de massas solares quando sua imagem foi obtida pelo Event Horizon Telescope em 2019.

Isto sugere que os efeitos de feedbacks ambientais complexos dominam o crescimento e a evolução destas galáxias e dos seus buracos negros, fazendo com que acumulem mais massa em estrelas e gás.

“Na verdade, esses primeiros OBGs estão transmitindo e esclarecendo mais informações sobre a física da semente, em vez do crescimento e desenvolvimento subsequentes”, disse o Dr. “Embora tenha implicações importantes”, acrescentou ela.

“Seria certamente ótimo se isso acontecesse, mas eu realmente não sei”, disse o Dr. Holz. “Será uma história fascinante, independentemente de como o mistério dos primeiros grandes buracos negros for resolvido”, acrescentou.