Buracos negros primordiais que se formaram durante os primeiros momentos do universo poderiam ter inchado rapidamente para tamanhos supermassivos, revelaram simulações cosmológicas complexas.
A descoberta pode levar a uma solução para um dos maiores problemas da cosmologia moderna: como buracos negros supermassivos Poderia ter crescido em milhões ou bilhões de vezes mais massivo do que o sol Antes do universo ter 1 bilhão de anos.
Este problema ficou fora de controle recentemente, graças à NASA’s Telescópio espacial James Webb (JWST). O escopo poderoso está investigando o universo inicial, descobrindo cada vez mais buracos negros supermassivos que existiam apenas 700 milhões de anos depois o massive bang ou até antes.
“O problema aqui é que, quando vemos o universo inicial com telescópios cada vez mais poderosos, que efetivamente nos permitem ver o cosmos como period muito cedo devido à velocidade finita da luz, continuamos vendo supermassivos buracos negros”, disse o membro da equipe de pesquisa John Regan, um bolsista da Royal Society College Analysis na Maynooth College na Irlanda, disse House.com. “Isso significa que buracos negros supermassivos estão em vigor muito cedo o universo nas primeiras centenas de milhões de anos “.
Os processos que os cientistas propuseram anteriormente para explicar o crescimento de supermassivos buracos negros como acréscimo de matéria rápida e fusões entre buracos negros maiores e maiores deve levar mais de um bilhão de anos para cultivar um buraco negro supermassivo.
O buraco negro supermassivo mais antigo e mais distante descoberto até agora por JWST é CEERS 1019 que existia apenas 570 milhões de anos após o Huge Bang e tem uma massa 9 milhões de vezes a do sol. Isso é grande demais para existir 13,2 bilhões de anos atrás, de acordo com os modelos estabelecidos.
“Isso é confuso, pois os buracos negros devem aparecer nessa grande massa ou crescer a partir de uma massa menor extremamente rapidamente”, disse Regan. “Não temos evidências para sugerir que os buracos negros possam se formar com essas enormes massas, e não entendemos completamente como pequenos buracos negros podem crescer tão rapidamente”.
A nova pesquisa sugere que os buracos negros primordiais poderiam ter dado buracos negros supermassivos a uma vantagem nesta corrida.
Buracos negros não astrofísicos têm uma vantagem
Os buracos negros vêm em uma variedade de massas diferentes. Buracos negros de massa estelar, que são 10 a 100 vezes mais pesada que o sol, são criados quando estrelas massivas esgotam seu combustível nuclear e morrem, desmoronando para desencadear enormes Supernova explosões.
Os buracos negros supermassivos têm pelo menos um milhão de vezes a massa do sol e sentam -se no coração de todas as grandes galáxias. Eles são grandes demais para serem formados quando uma estrela enorme morre. Em vez disso, esses orifícios negros são criados quando orifícios negros menores se fundem inúmeras vezes, ou alimentando vorazmente a matéria circundante ou em uma combinação de ambos os processos.
Esses dois exemplos de buracos negros, bem como buracos negros de massa intermediária indescritamente que fica no abismo em massa entre os buracos pretos estelares e supermassivos, são classificados como buracos negros “astrofísicos”.
Os cientistas propuseram há muito tempo a existência de buracos negros “não astrofísicos”, na forma de buracos negros primordiais . O descritor “não astrofísico” refere-se ao fato de que esses buracos negros não confiam em estrelas em colapso ou buracos negros anteriores para sua existência.
Em vez disso, os buracos negros primordiais são propostos para se formar diretamente a partir de bolsos exagerados na sopa de matéria-de-fumante que encheu o universo no primeiro segundo após o Huge Bang.
Um diagrama mostrando a vasta diferença de escala entre buracos negros supermassivos e buracos negros primordiais hipotéticos (Crédito da imagem: Robert Lea (criado com Canva))
Até agora, não há evidências observacionais desses buracos negros primordiais. No entanto, isso não impediu os cientistas de sugerir que esses objetos hipotéticos poderiam explicar matéria escura o misterioso “materials” que representa 85% do assunto no universo, mas permanece invisível porque não interage com a luz.
A nova pesquisa sugere que os buracos negros primordiais, propuseram ter massas entre 1/10.000 a de um clipe de papel e 100.000 vezes o do Sol, poderiam ter uma grande vantagem em rapidamente buracos negros supermassivos. Isso ocorre porque o limite superior em sua massa não é restrito pela enorme estrela de uma estrela antes de morrer, como é o caso dos buracos negros de massa estelar.
“Os buracos negros primordiais devem se formar durante os primeiros segundos após o Huge Bang. Se eles existirem, eles têm algumas vantagens sobre os buracos negros astrofísicos”, disse Regan. “Eles podem, em princípio, ser mais maciços para começar em comparação com os buracos negros astrofísicos e podem se estabelecer mais facilmente em centros galácticos, onde podem crescer rapidamente”.
Os buracos negros primordiais também podem começar os buracos negros de massa estelar, porque eles não precisam esperar a primeira geração de estrelas maciças morrer-um processo que pode levar milhões de anos.
Regan explicou que, devido às suas origens, os buracos negros astrofísicos só podem se formar depois que as primeiras estrelas ficarem sem combustível. Mesmo assim, os buracos negros astrofísicos ainda podem ser apenas algumas centenas de massas solares no complete. Além disso, impactar negativamente a perspectiva de crescimento de buracos negros supermassivos dos buracos negros de massa estelar é o fato de que a energia emitida das estrelas durante suas vidas e suas mortes explosivas de supernova limpa o materials em torno dos buracos negros recém-nascidos, esgotando sua potencial despensa e reduzindo seu crescimento.
“Isso pode significar que não há materials para o buraco negro do bebê acumular”, explicou Regan.
Os buracos negros primordiais não emitiriam energia e não “iriam” Nova, eliminando esse obstáculo. Mas eles ainda precisariam encontrar o caminho para uma fonte abundante de matéria.
Os buracos negros primordiais são supermassivos no coração das galáxias?
Na simulação realizada por Regan e colegas, os buracos negros primordiais necessários para crescer acumulando a matéria, com as fusões do buraco negro tomando um banco traseiro no processo.
“A matéria no universo inicial é composta principalmente de hidrogênio e hélio”, continuou Regan. “Espera -se que esses buracos negros primordiais cresçam principalmente ao acumular hidrogênio e hélio. As fusões com outros buracos negros primordiais também podem desempenhar um papel, mas espera -se que o acréscimo seja dominante”.
Para que o acréscimo de buracos negros primordiais seja eficiente o suficiente para resultar na criação de buracos negros supermassivos, esses objetos precisam ser capazes de devorar rapidamente a matéria. Isso significa chegar às regiões do universo onde a matéria se reúne – a saber, o centro das galáxias, que também é onde os buracos negros supermassivos se escondem na época moderna do cosmos.
“Para isso, os buracos negros primordiais precisam afundar no centro de uma galáxia”, disse Regan. “Isso pode acontecer se houver buracos negros primordiais suficientes. Apenas alguns têm que ter sorte!”
O número de buracos negros primordiais disponíveis para esse processo determina se os buracos negros astrofísicos acabariam tendo um papel no crescimento de buracos negros supermassivos.
“Se os buracos negros primordiais são muito abundantes, eles podem compensar toda a população supermassiva de buracos negros”, disse Regan. “Se os buracos negros primordiais representam toda a massa de buracos negros supermassivos depende de quantos existem. Em princípio, é possível, mas meu palpite é que os buracos negros astrofísicos também desempenham um papel”.
Os buracos negros primordiais chegaram ao centro das primeiras galáxias para crescer? (Crédito da imagem: Robert Lea (criado com Canva))
Obviamente, essas descobertas são baseadas em simulações; portanto, há um longo caminho a percorrer antes que essa teoria possa ser confirmada. Uma linha de evidência observacional para essa teoria seria a detecção de um enorme buraco negro no próprio, muito O início do universo, antes mesmo de 500 milhões de anos após o Huge Bang.
Outra linha possível de evidência observacional seria a detecção de um buraco negro com uma massa menor que três vezes a do sol no universo moderno. Isso porque nenhum buraco negro tão pequeno poderia ter se formado a partir da morte de Supernova e colapso de uma estrela enorme, indicando que esse buraco negro diminuto cresceu a partir de uma primordial.
“Fiquei surpreso que os buracos negros primordiais tenham crescido tão rapidamente e que nossas simulações correspondiam ao menos o espaço de parâmetros em que podem existir”, disse Regan. “Tudo o que precisamos agora é uma ‘pistola de fumantes’ de um buraco negro primordial de observações-um buraco negro de massa muito baixa no universo atual ou um buraco negro de alta massa no universo muito antigo.
“Buracos negros primordiais, se houver, estarão escondidos nos extremos!”
Em vez de tais evidências observacionais, a equipe procurará melhorar suas simulações cosmológicas para fortalecer a teoria dos buracos negros supermassivos, começando como buracos negros primordiais.
“Os próximos passos são aumentar o realismo das simulações. Este foi o primeiro passo. As simulações só tinham buracos negros primordiais”, concluiu Regan. “Em seguida, queremos modelar buracos negros primordiais e astrofísicos no mesmo ambiente e ver se podemos ver alguma característica distintiva”.
A pesquisa da equipe aparece como um artigo de revisão pré-Peer no website do repositório arxiv.
