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

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

Quase todas as galáxias abrigam um buraco negro supermassivo, e muitos deles são ainda mais massivos. O buraco negro da galáxia elíptica M87, por exemplo, tem massa equivalente a 6,5 bilhões de Sóis. Os maiores buracos negros conhecidos ultrapassam 40 bilhões de massas solares.

Sabemos que esses monstros estão à espreita no cosmos, mas como eles surgiram?

Uma das hipóteses é que os buracos negros supermassivos se formam gradualmente por meio de fusões. Por causa da matéria escura e da energia escura, as galáxias se formaram em aglomerados separados por grandes vazios.

Com o passar do tempo, esses vazios aumentam, enquanto as galáxias se agrupam cada vez mais até eventualmente se fundirem. Os buracos negros presentes nessas galáxias também se unem, formando os objetos supermassivos que observamos hoje.

Claro, isso leva tempo. Se esse modelo estiver correto, então as galáxias mais distantes deveriam conter buracos negros menores, com massas de milhões de Sóis, e os gigantes com bilhões de massas solares deveriam aparecer apenas no Universo mais próximo.

Mas observações do Telescópio Espacial James Webb revelaram que os buracos negros supermassivos em muitas das galáxias mais distantes já são enormes.

Buracos negros com massa acima de 1 bilhão de Sóis já existiam quando o Universo tinha apenas meio bilhão de anos. Esses gigantes jovens são massivos demais para serem explicados por fusões e desafiam as explicações convencionais.

Você pode se perguntar por quê. Afinal, o Universo primitivo era extremamente denso. Com tanta matéria disponível para os buracos negros devorarem, por que eles não poderiam engordar rapidamente?

A resposta está em algo chamado Limite de Eddington. À medida que a matéria é atraída por um buraco negro, ela se transforma em um plasma superquente e de alta pressão. Isso empurra para longe a matéria mais distante, reduzindo a velocidade de crescimento.

O Limite de Eddington representa a taxa máxima de crescimento de um buraco negro. E essa taxa não é suficiente para explicar todos os buracos negros gigantes que vemos no cosmos primordial.

Mas o período mais inicial do Universo era muito diferente do Universo atual. E se o Limite de Eddington não valesse naquela época? Essa é a questão analisada em um estudo recente, disponível no arXiv.

Os autores criaram modelos hidrodinâmicos sofisticados para investigar a formação de buracos negros durante a era escura cósmica.

Esse foi o período após o resfriamento de elétrons e núcleos, que formaram átomos, mas antes da reionização, quando as primeiras estrelas surgiram e reacenderam o cosmos com luz. Sabemos que foi nessa fase que as galáxias começaram a se formar, então é razoável supor que os buracos negros supermassivos também tenham surgido nesse intervalo.

Com base nas simulações, os autores concluíram que existe um período super-Eddington. Há regiões densas o bastante para que o material superquente próximo a um buraco negro não consiga varrê-las.

Isso permitiu que os primeiros buracos negros crescessem a uma taxa mais alta do que a possível hoje, mas apenas até cerca de 10 mil massas solares.

Segundo as simulações, depois disso o mecanismo de retroalimentação de Eddington entra em ação e a taxa de crescimento volta a ser limitada. A equipe também constatou que esse crescimento super-Eddington não ajuda muito no longo prazo.

No fim, até mesmo buracos negros que sempre crescem em um ritmo sub-Eddington alcançarão a mesma massa. O velocista olímpico Usain Bolt pode ser o ser humano mais rápido do mundo, mas o maratonista Eliud Kipchoge o ultrapassaria em uma corrida mais longa.

Esse estudo sugere fortemente que o crescimento super-Eddington não consegue explicar todos os buracos negros de bilhões de massas solares observados no Universo primitivo.

Como as fusões galácticas também não conseguem justificá-los, esse trabalho aponta para outra solução: buracos negros-semente formados muito cedo, talvez até durante o período de inflação logo após o Big Bang.

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