Nas últimas décadas, os astrônomos foram capazes de olhar mais longe no universo (e também no tempo), quase no início do universo. Ao fazer isso, eles aprenderam muito sobre algumas das primeiras galáxias do Universo e sua evolução subsequente. No entanto, ainda existem algumas coisas que estão fora dos limites, como quando galáxias com buracos negros supermassivos (SMBHs) e jatos maciços apareceram pela primeira vez.
De acordo com estudos recentes da Escola Internacional de Estudos Avançados (SISSA) e uma equipe de astrônomos do Japão e Taiwan fornecem uma nova visão sobre como os buracos negros supermassivos começaram a se formar apenas 800 milhões de anos após o Big Bang e jatos relativísticos menos de 2 bilhões de anos depois de. Esses resultados fazem parte de um caso crescente que mostra como objetos massivos em nosso Universo se formaram antes do que pensávamos.
Os astrônomos conhecem as SMBHs há mais de meio século. Com o tempo, eles perceberam que a maioria das galáxias massivas (incluindo a Via Láctea) as tem em seus núcleos. O papel que eles desempenham na evolução das galáxias também foi objeto de estudo, com astrônomos modernos concluindo que eles estão diretamente relacionados à taxa de formação de estrelas nas galáxias.
Da mesma forma, os astrônomos descobriram que as SMBHs têm discos de acúmulo apertados ao redor deles, onde o gás e a poeira são acelerados para se aproximarem da velocidade da luz. Isso faz com que o centro de algumas galáxias se torne tão brilhante - o que é conhecido como núcleo galáctico ativo (AGN) - que eles superam as estrelas em seus discos. Em alguns casos, esses discos de acúmulo também levam a jatos de material quente que podem ser vistos a bilhões de anos-luz de distância.
De acordo com modelos convencionais, as galáxias não tiveram tempo suficiente para desenvolver buracos negros centrais quando o Universo tinha menos de um bilhão de anos (cerca de 13 bilhões de anos atrás). No entanto, observações recentes mostraram que os buracos negros já estavam se formando no centro das galáxias na época. Para resolver isso, uma equipe de cientistas do SISSA propôs um novo modelo que oferece uma possível explicação.
Para o estudo, liderado por Lumen Boco - um Ph.D. aluno do Instituto de Física Fundamental do Universo (IFPU) - a equipe começou com o fato bem conhecido de que as SMBHs crescem nas regiões centrais das galáxias primitivas. Esses objetos, os progenitores das galáxias elípticas atualmente, tinham uma concentração muito alta de gás e uma taxa extremamente intensa de nova formação estelar.
As primeiras gerações de estrelas nessas galáxias tiveram vida curta e evoluíram rapidamente para buracos negros relativamente pequenos, mas significativos em número. O denso gás que os cercava levou a um atrito dinâmico significativo e fez com que migrassem rapidamente para o centro da galáxia. Foi aqui que eles se fundiram para criar as sementes dos buracos negros supermassivos - que cresceram lentamente com o tempo.
Como a equipe de pesquisa explicou no recente comunicado de imprensa da SISS:
“Segundo as teorias clássicas, um buraco negro supermassivo cresce no centro de uma galáxia capturando a matéria circundante, principalmente gás,“ cultivando-a ”sobre si mesma e finalmente devorando-a em um ritmo proporcional à sua massa. Por esse motivo, durante as fases iniciais de seu desenvolvimento, quando a massa do buraco negro é pequena, o crescimento é muito lento. Na medida em que, de acordo com os cálculos, para atingir a massa observada, bilhões de vezes a do Sol, seria necessário um tempo muito longo, ainda maior que a idade do jovem Universo. ”
No entanto, o modelo matemático original que eles desenvolveram mostrou que o processo de formação de buracos negros centrais poderia ser muito rápido em suas fases iniciais. Isso não apenas oferece uma explicação para a existência de sementes SMBH no início do Universo, mas também reconcilia o momento de seu crescimento com a idade conhecida do Universo.
Em suma, seu estudo mostrou que o processo de migração e fusão dos primeiros buracos negros pode levar à criação de uma semente SMBH de 10.000 a 100.000 massas solares em apenas 50-100 milhões de anos. Como a equipe explicou:
“[O] crescimento do buraco negro central de acordo com o acúmulo direto de gás acima mencionado, previsto pela teoria padrão, se tornará muito rápido, porque a quantidade de gás que ele conseguirá atrair e absorver se tornará imensa e predominante em o processo que propomos. No entanto, precisamente o fato de partir de uma semente tão grande, como previsto por nosso mecanismo, acelera o crescimento global do buraco negro supermassivo e permite sua formação, também no Universo Jovem. Em resumo, à luz dessa teoria, podemos afirmar que 800 milhões de anos após o Big Bang, os buracos negros supermassivos já poderiam povoar o Cosmos. ”
Além de propor um modelo de trabalho para as sementes SMBH observadas, a equipe também sugeriu um método para testá-lo. Por um lado, existem as ondas gravitacionais que essas fusões causariam, que poderiam ser identificadas usando detectores de ondas gravitacionais como Advanced LIGO / Virgo e caracterizados pelo futuro Telescópio Einstein.
Além disso, as fases de desenvolvimento subsequentes das SMBHs são algo que pode ser investigado por missões como a Antena Espacial a Laser da ESA (LISA), que deve ser lançada por volta de 2034. Da mesma forma, outra equipe de astrônomos usou recentemente o Atacama ALMA (Large Millimeter / submilimeter Array) para abordar outro mistério sobre galáxias, e é por isso que alguns têm jatos e outros não.
Essas correntes velozes de matéria ionizada, que viajam a velocidades relativísticas (uma fração da velocidade da luz), foram observadas emanando do centro de algumas galáxias. Esses jatos foram associados à taxa de formação de estrelas de uma galáxia devido à maneira como expelem matéria que, de outra forma, entraria em colapso para formar novas estrelas. Em outras palavras, esses jatos desempenham um papel na evolução das galáxias, bem como as SMBHs.
Por esse motivo, os astrônomos tentaram aprender mais sobre como os jatos dos buracos negros e as nuvens gasosas interagiram ao longo do tempo. Infelizmente, tem sido difícil observar esses tipos de interações durante o início do Universo. Usando o Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), uma equipe de astrônomos conseguiu obter a primeira imagem resolvida de nuvens gasosas perturbadas provenientes de um quasar muito distante.
O estudo que descreve suas descobertas, liderado pelo Prof. Kaiki Taro Inoue, da Kindai University, apareceu recentemente no Cartas de Jornal Astrofísico. Como Inoue e seus colegas explicaram, os dados do ALMA revelaram jatos bipolares jovens emanando de MG J0414 + 0534, um quasar localizado a aproximadamente 11 bilhões de anos-luz da Terra. Essas descobertas mostram que as galáxias com SMBHs e jatos existiam quando o Big Bang tinha menos de 3 bilhões de anos.
Além do ALMA, a equipe contou com uma técnica conhecida como lente gravitacional, onde a gravidade de uma galáxia intermediária amplia a luz vinda de um objeto distante. Graças a esse "telescópio cósmico" e à alta resolução do ALMA, a equipe pôde observar as nuvens gasosas perturbadas ao redor de MG J0414 + 0534 e determinar que elas eram causadas por jatos jovens que emanavam de uma SMBH no centro da galáxia.
Como Kouichiro Nakanishi, professor associado de projeto no Observatório Astronômico Nacional do Japão / SOKENDAI, explicou em um comunicado à imprensa do ALMA:
"Combinando este telescópio cósmico e as observações de alta resolução do ALMA, obtivemos uma visão excepcionalmente nítida, que é 9.000 vezes melhor que a visão humana. Com essa resolução extremamente alta, conseguimos obter a distribuição e o movimento de nuvens gasosas em torno de jatos ejetados de um buraco negro supermassivo. ”
Essas observações também mostraram que o gás foi impactado onde seguia a direção dos jatos, fazendo com que as partículas se movessem violentamente e se acelerassem a velocidades de até 600 km / s (370 mps). Além disso, essas nuvens gasosas impactadas e os próprios jatos eram muito menores do que o tamanho de uma galáxia típica nessa idade.
A partir disso, a equipe concluiu que estava testemunhando uma fase muito inicial da evolução do jato na galáxia MG J0414 + 0534. Se verdade, essas observações permitiram à equipe testemunhar um processo evolutivo chave nas galáxias durante o Universo primitivo. Como Inoue resumiu:
“MG J0414 + 0534 é um excelente exemplo por causa da juventude dos jatos. Encontramos evidências reveladoras de interação significativa entre jatos e nuvens gasosas, mesmo na fase evolutiva inicial dos jatos. Acho que nossa descoberta abrirá o caminho para uma melhor compreensão do processo evolutivo das galáxias no início do Universo. ”
Juntos, esses estudos demonstram que dois dos fenômenos astronômicos mais poderosos do Universo surgiram antes do esperado. Essa descoberta também oferece aos astrônomos a oportunidade de explorar como esses fenômenos evoluíram ao longo do tempo e o papel que desempenharam na evolução do Universo.
