Como buracos negros supermassivos cresceram no Universo jovem apesar do Limite de Eddington

No centro da Via Láctea, a apenas 27,000 anos-luz da Terra, existe um buraco negro supermassivo com massa superior a 4 milhões de Sóis.

Quase todas as galáxias abrigam um buraco negro supermassivo - e muitos são muito mais pesados do que o nosso. O buraco negro na galáxia elíptica M87, por exemplo, tem massa de 6.5 bilhões de Sóis. Os maiores buracos negros conhecidos passam de 40 bilhões de massas solares.

Sabemos que esses gigantes estão espalhados pelo cosmos, mas a pergunta central permanece: de que forma eles se formaram?

A hipótese das fusões de galáxias

Uma explicação proposta é que buracos negros supermassivos se constroem aos poucos por meio de fusões. Influenciadas pela matéria escura e pela energia escura, as galáxias teriam se formado em aglomerados, separados por grandes vazios.

Com o passar do tempo, esses vazios se expandem, enquanto as galáxias se concentram em grupos cada vez mais densos e, por fim, colidem e se unem. Nesse cenário, os buracos negros presentes em cada galáxia também se fundem, dando origem aos objetos supermassivos observados hoje.

O problema é que esse processo é lento. Se esse modelo fosse suficiente, as galáxias mais distantes deveriam conter buracos negros menores, com algo em torno de milhões de massas solares, e os colossos com bilhões de massas solares apareceriam sobretudo no Universo próximo.

O que o Telescópio Espacial James Webb revelou

As medições do Telescópio Espacial James Webb, porém, indicaram que muitos dos buracos negros supermassivos nas galáxias mais distantes já são enormes.

Foram encontrados buracos negros com mais de um bilhão de Sóis quando o Universo tinha apenas meio bilhão de anos. Esses gigantes tão “jovens” são massivos demais para serem explicados por fusões e desafiam as interpretações tradicionais.

É natural questionar o motivo. Afinal, o Universo primordial era extremamente denso. Com muita matéria disponível para “alimentar” buracos negros, por que eles não poderiam engordar rapidamente?

O Limite de Eddington e o freio no crescimento

A resposta envolve o chamado Limite de Eddington. À medida que a matéria é atraída por um buraco negro, ela se aquece intensamente e se transforma em um plasma de altíssima pressão. Esse plasma exerce uma força para fora, empurrando a matéria mais distante e reduzindo a taxa de acreção - o que desacelera o crescimento.

O Limite de Eddington representa, na prática, a velocidade máxima de crescimento de um buraco negro. E essa velocidade não é suficiente para explicar todos os gigantes observados no cosmos primordial.

Mas o Universo em seus primeiros tempos era muito diferente do que vemos hoje. E se, naquela fase, o Limite de Eddington não valesse da mesma forma? Essa é a questão analisada em um estudo recente disponível no arXiv.

O que as simulações na era escura cósmica indicam

Os autores construíram modelos hidrodinâmicos avançados para investigar como buracos negros poderiam se formar durante a era escura cósmica.

Trata-se do intervalo depois que elétrons e núcleos esfriaram e formaram átomos, mas antes da reionização - quando surgiram as primeiras estrelas, reacendendo o cosmos com luz. Como sabemos que é nesse período que as galáxias começaram a se formar, faz sentido supor que buracos negros supermassivos também tenham começado a surgir nessa fase.

A partir das simulações, os pesquisadores concluíram que existe um período supereddingtoniano: algumas regiões seriam tão densas que o material superaquecido próximo ao buraco negro não conseguiria “limpar” o entorno.

Com isso, buracos negros primordiais poderiam crescer mais rapidamente do que seria possível hoje - porém apenas até cerca de 10,000 massas solares.

Segundo as simulações, depois desse ponto entra em ação o mecanismo de retroalimentação do Eddington, e a taxa de crescimento volta a ser limitada. A equipe também observou que esse crescimento supereddingtoniano não traz grande vantagem no longo prazo.

No fim das contas, mesmo buracos negros que sempre crescem em um ritmo sub-Eddington acabam chegando à mesma massa. O velocista olímpico Usain Bolt pode ser o humano mais rápido do mundo, mas o maratonista Eliud Kipchoge o ultrapassará em uma corrida mais longa.

Implicações: sementes muito antigas

O estudo indica com força que o crescimento supereddingtoniano não explica todos os buracos negros de bilhões de massas solares observados no Universo jovem.

Como as fusões de galáxias também não dão conta do fenômeno, este trabalho aponta para outra possibilidade: buracos negros de massa-semente formados muito cedo, talvez até durante o período inflacionário logo após o Big Bang.

Este artigo foi publicado originalmente pelo Universe Today. Leia o artigo original.