Como se formaram os buracos negros supermassivos no Universo primitivo?

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

Praticamente todas as galáxias albergam um buraco negro supermassivo, e em muitos casos estes são ainda mais massivos. Na galáxia elíptica M87, por exemplo, o buraco negro central tem 6,5 mil milhões de Sóis. E os maiores buracos negros conhecidos ultrapassam as 40 mil milhões de massas solares.

Sabemos que estes colossos se escondem pelo cosmos, mas continua em aberto uma questão essencial: de que forma se formaram?

Formação por fusões: uma explicação lenta demais

Uma hipótese propõe que os buracos negros supermassivos se constroem ao longo do tempo através de fusões. Sob a influência da matéria escura e da energia escura, as galáxias formaram-se em aglomerados separados por grandes vazios.

Com o passar do tempo, esses vazios tornam-se maiores, enquanto as galáxias se aproximam, se agrupam e acabam por se fundir. Em paralelo, os buracos negros no interior dessas galáxias também se unem, originando os objetos supermassivos que observamos hoje.

No entanto, este processo exige muito tempo. Se este modelo estivesse correto, então as galáxias mais distantes deveriam conter buracos negros menores, com cerca de um milhão de massas solares, e os gigantes com milhares de milhões de massas solares só deveriam aparecer no Universo próximo.

O Limite de Eddington e os gigantes do Universo primitivo

As observações do Telescópio Espacial James Webb, porém, revelaram que muitos dos buracos negros supermassivos em algumas das galáxias mais distantes já são enormes.

Foram detetados buracos negros com mais de mil milhões de Sóis quando o Universo tinha apenas 500 milhões de anos. Estes gigantes tão jovens são demasiado massivos para serem explicados por fusões e desafiam as explicações convencionais.

À primeira vista, isso pode parecer estranho. O Universo inicial era extremamente denso; com tanta matéria disponível para “servir de pequeno-almoço” a um buraco negro, porque não poderiam eles crescer rapidamente?

A resposta está no chamado Limite de Eddington. À medida que a matéria é atraída para um buraco negro, aquece de forma extrema e transforma-se num plasma de alta pressão. Essa pressão empurra a matéria mais distante para fora, o que abranda a taxa de crescimento.

O Limite de Eddington define a velocidade máxima a que um buraco negro pode aumentar de massa. E esse limite não é suficiente para explicar todos os buracos negros gigantes que vemos no cosmos primordial.

Mas o período mais antigo do Universo era muito diferente do atual. E se, nessa fase inicial, o Limite de Eddington não se aplicasse? Esta é a pergunta analisada num estudo recente, disponível no arXiv.

Um período super-Eddington durante a idade das trevas cósmica

Os autores desenvolveram modelos hidrodinâmicos sofisticados para investigar a formação de buracos negros durante a idade das trevas cósmica.

Trata-se do intervalo após eletrões e núcleos terem arrefecido e formado átomos, mas antes da reionização, quando surgiram as primeiras estrelas e o cosmos voltou a iluminar-se. Sabemos que é nesse período que as galáxias começaram a formar-se, pelo que faz sentido presumir que os buracos negros supermassivos também tenham surgido nessa altura.

A partir das simulações, os investigadores concluíram que existe, de facto, uma fase super-Eddington. Em determinadas regiões suficientemente densas, o material superaquecido junto de um buraco negro não consegue “limpar” a área ao seu redor.

Isto permite que os buracos negros iniciais cresçam a um ritmo superior ao que seria possível hoje, mas apenas até cerca de 10 000 massas solares.

De acordo com as simulações, a partir daí o mecanismo de retroação (feedback) de Eddington entra em ação e volta a limitar a taxa de crescimento. A equipa verificou ainda que este crescimento super-Eddington não traz grande vantagem a longo prazo.

Com o tempo, mesmo buracos negros que crescem sempre a um ritmo sub-Eddington acabam por atingir a mesma massa. O velocista olímpico Usain Bolt pode ser o humano mais rápido do mundo, mas o maratonista Eliud Kipchoge ultrapassá-lo-á numa corrida mais longa.

Este estudo indica de forma convincente que o crescimento super-Eddington não consegue explicar todos os buracos negros com milhares de milhões de massas solares observados no Universo inicial.

Como as fusões galácticas também não os justificam, este trabalho aponta para outra solução: buracos negros-semente com massa inicial elevada, formados muito cedo - talvez até durante o período inflacionário, pouco depois da Grande Explosão.

Este artigo foi publicado originalmente pela Universo Hoje. Leia o artigo original.