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Quantas maneiras existem de deixar este universo?

Talvez a saída mais conhecida implique a morte de uma estrela. Em 1939, o físico J. Robert Oppenheimer e seu aluno Harlan Snyder, da Universidade da Califórnia, Berkeley, previram que quando uma estrela suficientemente massiva fica sem combustível termonuclear, ela entra em colapso para dentro e continua em colapso para sempre, encolhendo o espaço, o tempo e o espaço. luz em torno de si no que hoje é chamado de buraco negro.

Mas acontece que uma estrela morta pode não ser necessária para fazer um buraco negro. Em vez disso, pelo menos no universo primitivo, nuvens gigantes de gás primordial podem ter colapsado diretamente em buracos negros, ignorando milhões de anos passados ​​no estrelato.

Esta é a conclusão provisória a que chegou recentemente um grupo de astrónomos que estuda o UHZ-1, um ponto de luz que data pouco depois do Big Bang. Na verdade, o UHZ-1 é (ou foi) um poderoso quasar que cuspiu fogo e raios X de um monstruoso buraco negro há 13,2 mil milhões de anos, quando o Universo ainda não tinha 500 milhões de anos de idade.

Isto é incomumente rápido, cosmicamente falando, para que um buraco negro tão massivo tenha surgido através de colapsos e fusões estelares. Priyamvada Natarajan, astrônoma de Yale e principal autora de um artigo publicado no Astrophysical Journal Letters, e seus colegas, afirmam que em UHZ-1 descobriram uma nova espécie celestial, que chamam de galáxia de buraco negro supermassivo, ou OBG. Em essência, um OBG é uma jovem galáxia ancorada por um buraco negro que se tornou grande demais rapidamente.

A descoberta deste quasar precoce poderá ajudar os astrónomos a resolver um puzzle relacionado que os tem atormentado durante décadas. Quase todas as galáxias visíveis no universo moderno parecem abrigar no seu centro um buraco negro supermassivo com milhões de bilhões de vezes a massa do Sol. De onde vieram esses monstros? Poderiam os buracos negros comuns ter crescido tanto e tão rápido?

Natarajan e seus colegas propõem que o UHZ-1, e talvez muitos buracos negros supermassivos, começaram como nuvens primordiais. Estas nuvens poderiam ter colapsado em núcleos que eram precocemente pesados ​​– e foram suficientes para impulsionar o crescimento de galáxias de buracos negros supermassivos. São outro lembrete de que o universo que vemos é governado pela geometria invisível das trevas.

“Como o primeiro candidato OBG, o UHZ-1 fornece evidências convincentes da formação de sementes iniciais pesadas a partir do colapso direto no universo primitivo”, escreveram a Dra. Natarajan e seus colegas. Por e-mail, ela acrescentou: “A natureza parece produzir sementes de BH de muitas maneiras, além da morte estelar!”

Daniel Holz, um teórico da Universidade de Chicago que estuda buracos negros, disse: “Priya encontrou um buraco negro extremamente excitante, se for verdade”.

Ele acrescentou: “É simplesmente muito grande, muito cedo. É como olhar para uma sala de aula do jardim de infância e encontrar entre todas as crianças de 5 anos uma que pesa 150 quilos e/ou um metro e oitenta de altura.”

De acordo com a história que os astrônomos contam a si mesmos sobre a evolução do universo, as primeiras estrelas condensaram-se a partir de nuvens de hidrogênio e hélio que sobraram do Big Bang. Eles queimaram quente e rápido, explodindo rapidamente e colapsando em buracos negros de 10 a 100 vezes a massa do Sol.

Ao longo de eras, gerações sucessivas de estrelas foram formadas a partir das cinzas de estrelas anteriores, enriquecendo a química do cosmos. E os buracos negros que sobraram das suas mortes continuaram a fundir-se e a crescer de alguma forma, formando buracos negros supermassivos nos centros das galáxias.

O Telescópio Espacial James Webb, lançado há dois anos neste Natal, foi concebido para testar esta ideia. Possui o maior espelho do espaço, com 21 pés de diâmetro. Mais importante ainda, foi concebido para registar os comprimentos de onda infravermelhos da luz das estrelas mais distantes e, portanto, mais antigas do Universo.

Mas assim que o novo telescópio foi apontado para o céu, avistou novas galáxias tão massivas e brilhantes que desafiaram as expectativas dos cosmólogos. Nos últimos anos, surgiram discussões sobre se estas observações ameaçam de facto um modelo de longa data do cosmos. O modelo descreve o universo como composto por um traço de matéria visível, quantidades surpreendentes de “matéria escura”, que fornece a gravidade para manter as galáxias unidas, e “energia escura”, separando essas galáxias.

A descoberta do UHZ-1 representa um ponto de inflexão nesses debates. Em preparação para uma futura observação pelo Telescópio Espacial James Webb de um enorme aglomerado de galáxias na constelação do Escultor, a equipe do Dr. Natarajan pediu tempo no Observatório de Raios-X Chandra da NASA. A massa do aglomerado atua como uma lente gravitacional, ampliando objetos muito atrás dele no espaço e no tempo. Os pesquisadores esperavam ter um vislumbre nos raios X de tudo o que a lente pudesse trazer à vista.

O que encontraram foi um quasar alimentado por um buraco negro supermassivo com cerca de 40 milhões de vezes a massa do Sol. Outras observações feitas pelo telescópio Webb confirmaram que estava a 13,2 mil milhões de anos-luz de distância. (O aglomerado do Escultor fica a cerca de 3,5 bilhões de anos-luz de distância.) Foi o quasar mais distante e mais antigo já encontrado no universo.

“Precisávamos do Webb para encontrar esta galáxia notavelmente distante e do Chandra para encontrar o seu buraco negro supermassivo”, disse Akos Bogdan, do Centro de Astrofísica Harvard & Smithsonian, num comunicado à imprensa. “Também aproveitamos uma lupa cósmica que aumentou a quantidade de luz que detectamos.”

Os resultados indicam que buracos negros supermassivos já existiam 470 milhões de anos após o Big Bang. Isso não é tempo suficiente para permitir que os buracos negros criados pela primeira geração de estrelas – começando com 10 a 100 massas solares – cresçam tanto.

Haveria outra maneira de criar buracos negros ainda maiores? Em 2017, o Dr. Natarajan sugeriu que o colapso de nuvens de gás primordial poderia ter dado origem a buracos negros com mais de 10.000 vezes a massa do Sol.

“Você pode então imaginar um deles crescendo subsequentemente até se tornar um buraco negro jovem e precocemente grande”, disse o Dr. Como resultado, observou ele, “em cada momento subsequente na história do universo sempre existirão buracos negros surpreendentemente grandes”.

Natarajan disse: “O facto de estes terem começado em vidas supermassivas implica que provavelmente acabarão por evoluir para buracos negros supermassivos”. Mas ninguém sabe como isso funciona. Os buracos negros representam 10% da massa do quasar inicial UHZ-1, enquanto representam menos de um milésimo de um por cento da massa das galáxias modernas, como a gigante Messier 87, cujo buraco negro pesava 6,5. bilhão de massas solares quando sua foto foi tirada pelo Event Horizon Telescope em 2019.

Isto sugere que complicados efeitos de feedback ambiental dominam o crescimento e a evolução destas galáxias e dos seus buracos negros, fazendo com que a sua massa em estrelas e gás aumente.

“Portanto, na verdade, esses OBGs extremamente iniciais estão realmente telegrafando muito mais informações e iluminando a semeadura da física, em vez do crescimento e evolução posteriores”, disse o Dr. Ela acrescentou: “Embora tenham implicações importantes”.

Holz disse: “Seria certamente legal se isso acontecesse, mas sou genuinamente agnóstico”. Ele acrescentou: “Será uma história fascinante, não importa como resolvermos o mistério dos primeiros grandes buracos negros”.

By NAIS

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