Um buraco negro acumulando massa acima do chamado limite de Eddington pode explicar como os buracos negros supermassivos atingem bilhões de vezes a massa do nosso Sol.
NOIRLab; NSF; AURA; J. da Silva; M. Zamani
Concepção artística de um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia. Os investigadores identificaram um destes buracos negros no Universo primordial, que parece estar a acumular matéria 40 vezes o limite padrão.
NOIRLab; NSF; AURA; J. da Silva; M. Zamani
Concepção artística de um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia. Os investigadores identificaram um destes buracos negros no Universo primordial, que parece estar a acumular matéria 40 vezes o limite padrão.
O Universo está repleto de monstruosos buracos negros que habitam o centro das galáxias. Esses buracos negros supermassivos têm milhões a bilhões de vezes o tamanho do nosso Sol. Surpreendentemente, alguns destes buracos negros são observados a grandes distâncias, correspondendo a uma época apenas 700 milhões de anos após o Massive Bang. A forma como estes buracos negros cresceram tão rapidamente tem intrigado os astrónomos. Novas observações da galáxia escura e poeirenta LID-568 com o observatório JWST mostram que o seu buraco negro central está a consumir grandes quantidades de matéria – superando os limites estabelecidos pelo impulso de radiação para fora (1). Embora sejam necessárias mais observações, o estudo do LID-568 indica que os primeiros buracos negros podem sofrer um “frenesi alimentar” de acreção de massa que lhes permite atingir um tamanho supermassivo num curto espaço de tempo.
Os buracos negros supermassivos provavelmente se formaram a partir de buracos negros “sementes” que cresceram através de fusões com outros buracos negros ou através do acréscimo gradual de gás. Os buracos negros iniciais podem ter começado pequenos – com massas 10–100 vezes maiores que a do nosso Sol. No entanto, com um início tão pequeno, seria muito difícil que estes buracos negros crescessem um milhão de vezes no curto espaço de tempo antes de serem observados no Universo primordial. Alternativamente, os buracos negros iniciais poderiam pesar entre 1.000 e 10.000 massas solares – um enorme avanço que resultou potencialmente do colapso de estrelas extraordinariamente grandes ou do colapso direto de nuvens de gás. No entanto, não está claro se tais estrelas ou nuvens grandes existem, muito menos se são suficientemente abundantes para explicar a densidade numérica dos buracos negros supermassivos observados.
Uma maneira de abordar a questão do tamanho da semente do buraco negro é observar como os buracos negros crescem em seus estágios iniciais. Hyewon Suh, do Observatório Internacional Gemini, no Havai, e os seus colegas capturaram agora um jovem buraco negro que parece estar a experimentar um surto de crescimento inicial. Eles usaram o JWST para estudar uma galáxia distante chamada LID-568, de uma época 1,5 bilhão de anos após o massive bang. O LID-568 foi originalmente detectado em raios X pelo Observatório de Raios X Chandra da NASA, mas a poeira obscurece fortemente o seu centro, tornando-o quase invisível no infravermelho. Isto é, até o JWST. “Com a incrível sensibilidade infravermelha do JWST, finalmente conseguimos descobrir este objeto exótico”, diz Suh. A partir da cor e da compactação do LID-568, Suh e colaboradores inferem que a sua emissão não se origina de estrelas, mas do disco de acreção em torno de um buraco negro central pesando 7 milhões de massas solares.
Os discos de acreção são características comuns em torno de buracos negros supermassivos, oferecendo uma explicação para a emissão brilhante que vemos em quasares distantes e outros chamados núcleos galácticos ativos. O disco de acreção prototípico é um disco fino e giratório de matéria que circunda o buraco negro. À medida que o materials do disco cai no buraco negro, a sua energia potencial gravitacional é convertida em calor. Esse calor então se irradia, exercendo um impulso para fora do materials ao redor do buraco negro.
Mas algo interessante acontece à medida que mais e mais materials cai no buraco negro. O voraz buraco negro torna-se mais luminoso e, em algum ponto, a força externa da radiação supera a atração interna da gravidade. A luminosidade onde isso acontece é chamada de limite de Eddington e é proporcional à massa do buraco negro. Acima deste limite, o materials que caia no buraco negro seria presumivelmente expelido devido à pressão da radiação, interrompendo a acumulação que alimenta o buraco negro.
Os astrônomos podem transformar o limite de luminosidade em um limite de acreção assumindo que o buraco negro converte uma certa fração da matéria que cai em radiação que sai. O fator de conversão comumente adotado, ou “eficiência radiativa”, é de 10%, diz Alessandro Lupi, pesquisador de buracos negros na Universidade de Insubria, na Itália. Um buraco negro de 7 milhões de massas solares como o do LID-568 estaria presumivelmente acumulando a uma taxa mínima de 0,16 massas solares por ano. Mas Lupi esclarece que esse limite inferior depende de certos parâmetros, como o giro do buraco negro e as propriedades do disco de acreção.
Na verdade, o limite de Eddington não é uma lei elementary imposta pela natureza, mas sim uma regra prática. É derivado de um modelo esférico idealizado de acréscimo – mas a realidade raramente é tão simples. Várias teorias explicam como os buracos negros podem exceder o limite de Eddington, diz Suh. Por exemplo, o disco de acreção pode ser mais espesso do que os modeladores tradicionalmente assumem, a emissão pode vir de um jato poderoso ou pode estar envolvida uma fusão.
No caso do LID-568, a luminosidade é 40 vezes maior que o limite de Eddington, implicando uma taxa de acréscimo de pelo menos 6 massas solares por ano. “Há relatos de buracos negros com acreção de superEddington no Universo próximo, mas com taxas de acreção excedendo o limite (de Eddington) apenas por um fator de cerca de 2 a 3”, diz Suh. “O LID-568 é notável devido à sua extrema taxa de crescimento e ao facto de existir tão cedo no Universo.”
Esta detecção pode resolver o dilema sobre como os buracos negros supermassivos podem se formar precocemente e abundantemente. “Este objeto no LID-568 apresenta um caminho alternativo de rápido crescimento a partir de sementes de menor massa de origem estelar ou primordial”, diz Nico Cappelluti, astrónomo da Universidade de Miami, que não esteve envolvido no estudo.
Explosões de acreção de super-Eddington poderiam explicar o crescimento de buracos negros supermassivos, mas permanecem dúvidas sobre a duração dessas explosões, diz Suh. “Uma vez esgotado o materials circundante, pode não haver gás suficiente na vizinhança para sustentar a mesma taxa de acreção. Isto limitaria naturalmente o crescimento futuro do buraco negro.”
É por isso que são necessárias mais observações, salienta Suh. Encontrar mais desses objetos pode nos ajudar a compreender melhor o quão comum e duradouro é esse período de crescimento. “Estudos recentes indicam que a maior parte da acumulação no Universo primordial é obscurecida por poeira, sugerindo que estes tipos de objetos podem ser bastante comuns,” diz Cappelluti.
–Elizabete Fernández
Elizabeth Fernandez é redatora científica freelance que mora em Raleigh, Carolina do Norte.
Referências
H. Suh e outros.“Um buraco negro com super-acreção de Eddington 1,5 Gyr após o Massive Bang observado com JWST,” Nat. Astron. (2024).
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