Os primeiros buracos negros gigantes representam um mistério cósmico: eles se tornaram muito grandes, muito rápido.

ULAS J1120 + 0641 é o primeiro quasar descoberto além de um redshift de 7. Ardendo em uma época em que o universo tinha apenas 770 milhões de anos, ULAS J1120 + 0641 contém um buraco negro supermassivo 2 bilhões de vezes a massa do nosso Sol. Com base na imagem atual dos astrônomos de como os buracos negros crescem, é muito grande para sua idade. Crédito: ESO / M. Kornmesser

Em 2017, os astrônomos começaram a encontrar buracos negros monstruosos do início do universo. Contendo cerca de um bilhão de vezes a massa do nosso Sol, esses buracos negros eram cercados por discos de matéria em queda, brilhando tão intensamente que podemos detectá-los em imensos trechos de espaço e tempo.

Esses gigantes gravitacionais existiam quando o universo tinha apenas 700 milhões de anos, ou 5% de sua idade atual. Nesse ponto da história cósmica, o universo ainda era uma criança. A gravidade estava apenas começando a controlar as nuvens de gás e matéria escura para formar estruturas que mais tarde evoluiriam para galáxias espirais e elípticas maduras. As estrelas estavam começando a aparecer, mas existiam em muito menos número do que hoje.

De acordo com a imagem tradicional da formação e crescimento de buracos negros, o universo naquela época simplesmente não existia por tempo suficiente para que os buracos negros atingissem um bilhão de massas solares. Portanto, com base em nosso entendimento geral de como os buracos negros se formam e crescem, esses buracos negros não deveriam existir.

E ainda sim, representando um grande desafio que os astrofísicos ainda precisam desvendar.

Quasares de alto redshift (desvio para o vermelho)

Os quasares são faróis brilhantes de luz e energia gerados pelo acúmulo de material em buracos negros supermassivos. Na década de 1990, os astrônomos usando uma combinação de telescópios terrestres e espaciais começaram a encontrar quasares extremamente distantes alimentados por buracos negros de um bilhão ou mais de massas solares. Em meados da década de 2010, não era mais um grande problema encontrar quasares datando de 1 bilhão ou 2 bilhões de anos após o Big Bang. Mas os teóricos tiveram dificuldade em explicar como tais buracos negros massivos poderiam ter surgido tão cedo na história do universo.

As estrelas mais massivas podem colapsar diretamente em buracos negros sem antes explodir como uma supernova. Por exemplo, este par de imagens do Hubble mostra uma estrela de 25 massas solares (à esquerda) que simplesmente “desapareceu” sem alarde ao longo do tempo. Os astrônomos finalmente concluíram que provavelmente havia colapsado diretamente em um buraco negro, denominado N6946 – BH1. Crédito: NASA, ESA e C. Kochanek (OSU)

Para quasares e outros objetos que existiram muitos bilhões de anos atrás, não faz sentido expressar suas distâncias em termos de anos-luz. O universo se expandiu tanto entre aquela época e agora que os astrônomos se referem ao redshift de um objeto, que é uma medida de quanto a expansão cósmica estendeu a luz do objeto em direção a comprimentos de onda mais vermelhos (mais longos). 

Durante anos, astrônomos como o Xiaohui Fan da Universidade do Arizona identificaram quasares em redshifts de até 6, quando o universo tinha cerca de 900 milhões de anos. Eles até encontraram alguns em torno do redshift 7, que corresponde a uma era em que o universo tinha cerca de 735 milhões de anos. Mas no final de 2017, uma equipe internacional liderada por Eduardo Bañados da Carnegie Institution for Science anunciou um quasar com um redshift recorde de 7,54. Este quasar, denominado J1342 + 0928 (J1342 para abreviar), com base em suas coordenadas do céu em Boötes, irradiava 40 trilhões de sóis em energia em uma época em que o universo tinha apenas 690 milhões de anos. 

A equipe encontrou o J1342 minerando dados do satélite Wide-field Infrared Survey Explorer da NASA, do Reino Unido Infrared Telescope Deep Sky Survey de Large Area Survey e do DECam Legacy Survey. Eles usaram o Telescópio Magellan de 6,5 metros no Chile para medir o redshift do quasar, enquanto as observações com o Telescópio Norte Gemini de 8 metros no Havaí permitiram à equipe estimar a massa do buraco negro: cerca de 800 milhões de Sóis.

“Reunir toda essa massa em menos de 690 milhões de anos é um enorme desafio para as teorias de crescimento de buracos negros supermassivos”, disse Bañados no anúncio da descoberta. “A descoberta mostra que obviamente existia um processo no início do universo para fazer este monstro. Qual é esse processo? Bem, isso manterá os teóricos muito ocupados!”

Os teóricos tiveram bastante dificuldade em explicar os quasares redshift-6 e redshift-7. Mas um buraco negro supermassivo além do redshift 7.5 beira o absurdo. E, como se constatou, a descoberta não foi um acaso.

Em junho de 2020, uma equipe com muitos dos mesmos astrônomos, desta vez liderada por Jinyi Yang, da Universidade do Arizona, anunciou a descoberta de um segundo quasar com um desvio para o vermelho maior que 7,5. Este quasar, designado J1007 + 2115, está em um desvio para o vermelho de 7,515. Seu motor de buraco negro pesa impressionantes 1,5 bilhão de massas solares em uma época em que o universo tinha apenas 700 milhões de anos.

A densidade numérica dos quasares diminui com o aumento do redshift,  o que significa que há cada vez menos quasares espalhados pelo espaço conforme os astrônomos olham para trás no tempo, para quando o universo era mais jovem. Nesta figura, a linha preta mostra a densidade numérica de quasares com alto volume de rádio - quasares com poderosos jatos emitindo em comprimentos de onda de rádio - plotados por redshift. Também são mostradas as densidades numéricas de outros tipos de quasares, como aqueles vistos em comprimentos de onda ópticos (triângulos) e de raios-X (círculos abertos e preenchidos). Como existem apenas alguns quasares nos primeiros tempos, as explicações exóticas de como eles cresceram tão rapidamente tornam-se mais razoáveis. Crédito: Astronomy: Roen Kelly, after J. Wall 2007

Os astrônomos provavelmente encontrarão ainda mais quasares além do redshift 7.5 no futuro. Mas provavelmente não muitos. Como diz Yang, “A densidade numérica dos quasares diminui muito rapidamente com o aumento do redshift”.

Se os quasares fossem comuns além do redshift 7.5, então os astrônomos teriam encontrado vários outros até agora. Mas sua densidade espacial, o número de quasares em um determinado volume de espaço, parece ser muito baixa, apenas cerca de um quasar por gigaparsec cúbico, onde um gigaparsec tem 3,26 bilhões de anos-luz. “Você tem que pesquisar grandes áreas do céu para encontrar esses objetos apenas porque eles são intrinsecamente tão raros no universo”, diz o cosmologista Joseph Hennawi, da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara. Membro da equipe que descobriu os dois quasares, Hennawi também ajudou a desenvolver o software que torna a descoberta de quasares de alto redshift mais eficiente.

Isso dá aos teóricos algum alívio. A relativa escassez de quasares de alto redshift significa que as condições que os formam são incomuns, ou seja, um conjunto de condições altamente incomuns pode resolver o problema, criando “sementes” que crescem rapidamente em quasares. Como diz o astrofísico Volker Bromm da Universidade do Texas em Austin: “Precisamos apenas de poucas sementes para explicar os quasares de bilhões de massa solar observados em alto redshift.”

Ainda assim, é mais fácil falar do que fazer.

Com um desvio para o vermelho de 6,6, CR7 (representado no conceito deste artista) é uma galáxia distante brilhando com estrelas apenas 800 milhões de anos após o Big Bang. Perto está uma mancha brilhante de gás que parece desprovida de estrelas. Justaposições como essa podem ser as precursoras de buracos negros em colapso direto. Crédito: ESO / M. Kornmesser

Indo devagar

De acordo com o modelo cosmológico predominante (e bem testado), conhecido como Lambda-Cold Dark Matter (ΛCDM para abreviar), o universo se originou a 13,8 bilhões de anos atrás no Big Bang. O universo inicial era inicialmente um caldeirão quase sem características de partículas subatômicas e matéria escura (que supera a familiar matéria atômica em quase 6 para 1), com material quase uniformemente distribuído e, portanto, incapaz de se agrupar em estruturas interessantes.

Crucialmente, nos primeiros minutos de existência do universo, as temperaturas e pressões prevalecentes permitiram que as partículas subatômicas se aglutinassem em núcleos de hidrogênio e hélio, com apenas os vestígios de elementos mais pesados. Quando o universo esfriou ainda mais, 380.000 anos depois, os elétrons se combinaram com os núcleos de hidrogênio e hélio, formando átomos neutros e liberando a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB). 

As medições de alta resolução do CMB mostram que o universo naquela época era extremo, mas não perfeitamente, uniforme. Irregularidades sutis na densidade da matéria eventualmente permitiram que a gravidade fizesse seu trabalho. Começando cerca de 200 milhões de anos após o Big Bang, regiões com concentrações ligeiramente maiores de matéria escura e gás começaram a entrar em colapso nas primeiras estrelas e protogaláxias.

Mas esta era inicial da história cósmica permanece fora do alcance dos observadores. Então, para investigá-la, os teóricos realizam simulações de computador sofisticadas, que ajudam a descobrir o que aconteceu quando nuvens imaculadas de hidrogênio e gás hélio colapsaram gravitacionalmente. De acordo com os cálculos, essas nuvens se fragmentaram em vários aglomerados que formaram estrelas com massas de até 500 sóis. Esses primeiros faróis viveram rápido e morreram jovens, brilhando com milhões de vezes a energia do nosso Sol, mas durando apenas alguns milhões de anos. Eles morreram em estupendas explosões de supernovas, e seus núcleos colapsaram em buracos negros com 100 a 200 massas solares.

Simulações de supercomputadores permitem aos pesquisadores estudar como o gás no início do universo pode colapsar diretamente em buracos negros  À medida que o gás flui para dentro, ele flui ao longo de filamentos de matéria escura chamada teia cósmica, reunindo-se em áreas de maior densidade que mais tarde formarão grupos e aglomerados de galáxias. Crédito: Aaron Smith / TACC / UT-Austin

Esses buracos negros então começaram a devorar material próximo, cada um como um Pac-Man enlouquecido, ocasionalmente até devorando estrelas inteiras. Eles provavelmente até se fundiram para formar buracos negros com muitas centenas, ou talvez vários milhares, de massas solares. 

Mas mesmo o buraco negro mais voraz não poderia consumir material suficiente em 500 milhões de anos para atingir a massa de um bilhão de sóis. Isso porque à medida que a matéria se acumula ao redor de um buraco negro, ela se estabelece em um disco de acreção. Girando ao redor do buraco negro quase na velocidade da luz, o disco se aquece e libera torrentes de radiação em muitos comprimentos de onda. Essa radiação intensa exerce pressão que literalmente empurra a matéria próxima, limitando a rapidez com que o buraco negro pode adicionar massa. A taxa de acreção máxima teórica de um objeto é conhecida como limite de Eddington, em homenagem ao astrofísico britânico Sir Arthur Eddington (1882–1944).

Mesmo que um buraco negro possa puxar a matéria mais rápido do que o limite de Eddington, esse aumento de acreção deve produzir ventos e fluxos poderosos que afastam o material, sufocando o crescimento posterior. Em outras palavras, se episódios de acréscimo de super-Eddington ocorrem, eles são presumivelmente breves em duração, estabelecendo ainda outro limite para a rapidez com que um buraco negro pode crescer.

Por causa desses limites naturais, os astrônomos acham difícil explicar como um buraco negro começando com 100 a 200 massas solares pode agregar material suficiente em apenas algumas centenas de milhões de anos para crescer nos gigantes de bilhões de massa solar que alimentam os quasares J1342 e J1007. Para isso, precisamos semear buracos negros com massas iniciais muito maiores. Mas como eles nascem?

O quasar ULAS J1120 + 0641 aparece como o pequeno ponto vermelho de luz nesta imagem composta, que combina dados do Sloan Digital Sky Survey e do UKIRT Infrared Deep Sky Survey. Crédito: ESO / UKIDSS / SDSS

Colapso direto

Acontece que um modelo com mais de uma década oferece uma solução potencial.

Em 2006 e 2007, o astrofísico da Universidade de Yale Priyamvada Natarajan, trabalhando com Giuseppe Lodato (agora na Universidade de Milão na Itália), publicou uma série de artigos explicando como densas nuvens de gás primordial (essencialmente protogaláxias) no início do universo poderia ter entrado em colapso para formar buracos negros-semente com massas de 1.000 a 100.000 sóis. Normalmente, essas nuvens teriam se fragmentado durante o processo de colapso para formar uma infinidade de estrelas massivas em vez de um único buraco negro. Mas, sob certas condições raras, algumas nuvens poderiam ter entrado em colapso para formar buracos negros extremamente massivos.

A chave para este processo é como as nuvens de gás esfriam. A maioria dessas nuvens no universo primitivo continha uma grande abundância de hidrogênio molecular (H2), que consiste em dois átomos de hidrogênio unidos. Natarajan e Lodato descobriram que essas nuvens esfriam rapidamente, o que faz com que se fragmentem em numerosos aglomerados que irão formar uma estrela.

Mas se uma pequena nuvem primordial se encontra perto de uma protogaláxia muito maior que está formando estrelas rapidamente, essas estrelas atacam a nuvem implacavelmente com radiação ultravioleta. Essa entrada massiva de energia quebra as ligações químicas que unem o hidrogênio molecular, convertendo a nuvem em uma nuvem de hidrogênio atômico (H) quase puro, que é menos eficiente em irradiar energia. Este gás permanece quente, o que significa que não pode se fragmentar em aglomerados que esfriam e condensam para formar estrelas. 

Em vez disso, a nuvem colapsa gravitacionalmente sem esfriar, concentrando uma grande quantidade de massa em um volume tão pequeno de espaço que forma o que Natarajan chama de “buraco negro de colapso direto” ou DCBH. Este processo ignora a formação de estrelas tradicionais, embora pudesse formar uma estrela supermassiva de vida muito curta.

Em observações feitas pelo futuro Telescópio Espacial James Webb, os astrônomos esperam que os buracos negros de colapso direto (DCBHs) sejam muito diferentes de outros objetos no início do universo. Por exemplo, esta figura mostra as cores esperadas - obtidas subtraindo a quantidade de luz que um objeto emite em diferentes filtros - de várias fontes em imagens JWST, incluindo DCBHs (círculos preenchidos) e galáxias primitivas (círculos abertos e quadrados) com diferentes tipos das estrelas. Crédito: Astronomy: Roen Kelly, AFTER BARROW, ET AL., 2018

As simulações de Natarajan mostram que as DCBHs poderiam ter se formado com até um milhão de massas solares. Um buraco negro tão massivo teria se fundido rapidamente com a galáxia próxima, onde poderia ter aumentado muito rapidamente em estrelas e gás. Natarajan e Lodato originalmente pretendiam que este modelo explicasse buracos negros ultra-massivos, aqueles com massas de 1 bilhão de sóis ou mais, em redshifts ligeiramente mais baixos. Mas também oferece uma solução promissora para o problema de sincronismo para os quasares de redshift-7.5, criando sementes massivas o suficiente para crescer rapidamente em quasares em um curto espaço de tempo.

Natarajan enfatiza que “condições especiais” são necessárias para formar essas DCBHs: uma pequena nuvem primordial de gás de hidrogênio e hélio situada à distância certa de uma galáxia muito maior em formação de estrelas. Isso explica por que os quasares de alto redshift são incomuns. “As condições de que você precisa são bastante rigorosas para criar buracos negros em colapso direto”, diz ele. “Essas condições são raras no início do universo, mas estão disponíveis. Felizmente, esses buracos negros monstruosos são muito raros, então você pode acomodar o que foi visto até agora, facilmente, sem problemas. ”

O modelo DCBH parece funcionar em uma simulação de computador. Mas esses buracos negros realmente se formaram no universo real? 

Logo descobriremos. Natarajan diz que seu modelo pode ser testado diretamente em um futuro próximo. Mesmo os buracos negros supermassivos que alimentam os quasares contêm apenas uma pequena porcentagem da massa total de sua galáxia hospedeira. Mas um DCBH superaria a massa total de estrelas em sua pequena galáxia hospedeira em até 50 vezes, diz Natarajan, criando um objeto bizarro conhecido como uma galáxia de buraco negro obeso. (Para comparação, os SMBHs nos centros das galáxias no universo local normalmente têm apenas 1/1.000 da massa das estrelas da galáxia.) As galáxias de buracos negros obesas seriam relativamente brilhantes em comprimentos de onda infravermelhos, com um espectro característico. “Elas têm uma assinatura única, então não vamos ser confundidos com qualquer outro tipo de galáxia ou objeto peculiar”, diz ele.

Metade do Prêmio Nobel de Física de 2020 foi para os pesquisadores Andrea Ghez e Reinhard Genzel por sua descoberta do buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea. Chamado de Sagitário A * (Sgr A *) e retratado aqui em raios-X do Observatório de Raios-X Chandra, este buraco negro monstro pesa mais de 4 milhões de vezes a massa do nosso sol. Os astrônomos pensam que Sgr A * - e todos os SMBHs - cresceram como quasares. O desafio é descobrir como quasares 1.000 vezes mais massivos que Sgr A * se formaram tão rapidamente no início do universo. Crédito: NASA / MIT / PSU

O James Webb Space Telescope (JWST) da NASA, atualmente com lançamento previsto para o final de 2021, deve ser capaz de detectar DCBHs nos redshifts 9 a 12 (quando o universo será sobre o James Webb Space Telescope (JWST) da NASA, atualmente com lançamento previsto para o final de 2021, deve ser capaz de detectar DCBHs em redshifts 9 a 12 (quando o universo tinha cerca de 526 milhões a 354 milhões de anos, respectivamente). E se ele detecta esses objetos testará seu modelo, diz Natarajan. “Se você crescer o buraco negro de uma semente menor pelo redshift 9, seria muito fraco para ser detectado pelo JWST. Então, se o JWST ver qualquer quasar entre o redshift 9 e 12... deve ter sido um DCBH. Vamos colocar nosso pescoço lá e fazer essa previsão.”

Muitas fusões

Os teóricos apresentaram outras ideias sobre como o universo poderia gerar as sementes massivas de buracos negros supermassivos. Um artigo de março de 2020 no The Astrophysical Journal por Lumen Boco, Andrea Lapi e Luigi Danese da Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Escola Internacional de Estudos Avançados) em Trieste, Itália, mostra matematicamente como numerosos buracos negros individuais se formaram a partir de estrelas massivas dentro de um galáxia jovem que pode se combinar para criar uma semente SMBH.

Como você faz quasares de massa solar de bilhões no início do universo? As sementes desses buracos negros monstruosos, que podem vir de fontes como a morte de estrelas massivas ou buracos negros de colapso direto, podem ter passado por períodos de crescimento intenso (super-Eddington), intercalados por tempos de crescimento limitado (limitado por Eddington) ou crescimento ineficiente. Crédito: Astronomy: Roen Kelly, after Smith & Bromm, 2019

Primeiro, estrelas massivas vivem seus ciclos de vida, criando muitos buracos negros menores. À medida que esses buracos negros atravessam o gás denso dentro de sua galáxia hospedeira, ele cria atrito dinâmico, ou arrasto, que os faz migrar rapidamente em direção ao centro da galáxia. Lá, eles podem se fundir para formar um único buraco negro com 10.000 a 100.000 massas solares. Esse processo progride extremamente rápido, levando apenas 50 milhões a 100 milhões de anos. Depois disso, disseram os pesquisadores em um comunicado à imprensa, o buraco negro central crescerá rapidamente: “À luz dessa teoria, podemos afirmar que 800 milhões de anos após o Big Bang, buracos negros supermassivos já poderiam povoar o cosmos”. 

Boco, Lapi e Danese observam que detectores de ondas gravitacionais como o LIGO/Virgo e a próxima missão European Space Agency’s Laser Interferometer Space Antenna poderiam detectar os estrondos dessas antigas fusões.

Super-Eddington

Mas há ainda outra maneira de contornar o problema do crescimento. E se alguns buracos negros no universo primitivo fossem capazes de agregar matéria a taxas de super-Eddington por períodos prolongados de tempo? Nesse cenário, um buraco negro começando com algumas centenas de massas solares poderia ter se tornado relativamente rápido em um gigante de bilhões de massas solares.

Hennawi, seu colega de Santa Bárbara, Frederick Davies, e outros colaboradores recentemente realizaram observações sugerindo que esse pode ter sido o caso. Usando os telescópios Magellan e Gemini, eles mediram a quantidade de luz de vários quasares redshift-7 observando como sua radiação ionizou o gás intergaláctico entre o quasar e nós.

“Chegamos à conclusão de que a imagem padrão do crescimento de buracos negros pode não se aplicar a esses quasares”, diz Hennawi. “Eles estão comendo muito material, mas não estão emitindo tanta radiação quanto pensávamos. Eles crescem tão rápido que não há mais um problema de crescimento de buracos negros.”

O conceito deste artista descreve o buraco negro de sementes com massa solar de 10.000 que cresceria para produzir o quasar distante J1007 + 2115 (também chamado de Poniua?ena). A semente, mostrada quando o universo tinha 100 milhões de anos, é cercada por um disco de acreção (amarelo-laranja) e, mais longe, uma nuvem de gás (azul) na qual pode se alimentar. Crédito: Observatório Internacional Gemini / NOIRLab / NSF / AURA / P. Marenfeld

Os teóricos têm dificuldade em simular como os buracos negros agregam material. A física subjacente é extremamente complexa, especialmente para buracos negros supermassivos. Mas uma coisa é certa: a presença ou ausência de campos magnéticos, e como eles se organizam em torno de um buraco negro, desempenha um papel crítico no controle da taxa do fluxo de acreção.

Os campos magnéticos determinam, portanto, a eficiência com que um grama de matéria irradia luz ao fazer uma espiral em direção a um buraco negro. Um campo magnético com voltas e mais voltas obstruirá o fluxo, fazendo com que ele se aqueça e emita uma radiação poderosa que pode impedir a queda do material. Mas, diz Natarajan, se o campo magnético seguir um caminho direto e enroscar ordenadamente em um disco de acreção, as simulações sugerem que ele pode levar material para o buraco negro, alimentando-o muito mais rápido do que a taxa de Eddington.

Se o cenário de colapso direto ou super-Eddington estiver correto, não há necessidade de mexer no modelo cosmológico ΛCDM. E Hennawi ressalta que não é necessariamente um /ou proposição. Tanto o colapso direto quanto o acréscimo de super-Eddington poderiam estar operando no início do universo, diz ele. Natarajan concorda.

Como Natarajan, Hennawi espera o lançamento e implantação do JWST. Presumindo que funcione conforme o planejado, este telescópio espacial de ponta permitirá aos astrônomos fazer medições de muitas dezenas de quasares de alto redshift para ver como a energia que eles produzem é afetada pela taxa na qual eles acumulam material.

“Em algum nível, a abundância de ideias é o que você realmente deseja e precisa, mas o importante é que teremos muito mais compreensão disso quando pudermos fazer esse tipo de medição para uma centena de objetos”, conclui Hennawi. “Isso é realmente o que o JWST nos permitirá fazer.”

Originalmente publicado em Astronomy