Buraco Negro 'Quebra-Regras' Cresce a 13 Vezes o 'Limite de Velocidade' Cósmico, Desafiando Teorias

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Buraco Negro 'Quebra-Regras' Cresce a 13 Vezes o 'Limite de Velocidade' Cósmico, Desafiando Teorias

Numa descoberta que ameaça reescrever os primeiros capítulos da história do universo, os astrónomos observaram um quasar antigo e voraz que está a quebrar as regras fundamentais de como os buracos negros consomem matéria e geram os jatos que moldam as galáxias. Este objeto, conhecido como ID830, é um buraco negro supermassivo (SMBH) extremamente brilhante e ativo que dispara imensos jatos de radiação dos seus polos. Não só está a exceder o "limite de velocidade" de crescimento dos buracos negros por um fator de 13, como também está a gerar emissões intensas de raios-X e ondas de rádio simultaneamente – duas características que, segundo as teorias atuais, não deveriam coexistir.

O ID830 é excecionalmente massivo. Há cerca de 12 mil milhões de anos, quando o universo tinha aproximadamente 15% da sua idade atual, já pesava 440 milhões de massas solares. Isto torna-o mais de 100 vezes mais massivo do que Sagitário A*, o SMBH no coração da nossa própria galáxia, a Via Láctea. Um crescimento tão rápido nos primórdios do universo levanta questões significativas para os modelos de evolução cósmica.

Como é possível este comportamento "quebra-regras"? Num artigo publicado a 21 de janeiro na revista The Astrophysical Journal, uma equipa internacional de investigadores observou o ID830 em múltiplos comprimentos de onda para encontrar uma resposta. Os buracos negros são os devoradores mais vorazes do universo, mas até os "monstros" têm um limite de alimentação. À medida que atraem gás e poeira, este material acumula-se num disco de acreção em espiral. A gravidade puxa o material do disco para o buraco negro, mas o material em queda gera uma pressão de radiação que empurra para fora e impede que mais material caia. Como resultado, os buracos negros são "amordaçados" por um processo de autorregulação chamado limite de Eddington.

No entanto, os buracos negros podem temporariamente contornar este limite e sofrer rápidos surtos de crescimento num limite "super-Eddington". Os investigadores propõem múltiplos mecanismos para esta glutonaria cósmica. Por exemplo, Anthony Taylor, um astrónomo da Universidade do Texas em Austin que não esteve envolvido no estudo, disse à Live Science por e-mail que "deveria ser perfeitamente possível para um buraco negro consumir matéria mais rapidamente do que o limite de Eddington por um curto período de tempo antes que a pressão de radiação se acumule para limitar a taxa de acreção". Alternativamente, um buraco negro pode consumir matéria de um disco em torno do seu equador enquanto a pressão de radiação externa expulsa material dos seus polos. "Nesta situação, a pressão de radiação não se oporia diretamente ao influxo de matéria, permitindo assim que o limite de Eddington fosse excedido", acrescentou Taylor. "Existem uma variedade de geometrias onde isto poderia funcionar!"

A mecânica super-Eddington pode ajudar a conciliar os modelos de crescimento de SMBH com um catálogo crescente de observações do universo primitivo. Com a sua excecional sensibilidade infravermelha, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) revelou que os SMBH cresceram surpreendentemente rápido e surpreendentemente cedo, desafiando todas as expectativas. Então, como é que os SMBH ficaram tão grandes, tão depressa? Alguns cientistas sugerem que as estrelas da População III, as primeiras e maiores estrelas na história cósmica, colapsaram para produzir "sementes" de buracos negros de 1.000 ou mais massas solares. Mas mesmo estas sementes pesadas precisariam de se alimentar no limite de Eddington por mais de 650 milhões de anos para atingir alguns dos seus tamanhos observados. Este feito pode parecer inviável por várias razões, incluindo as prodigiosas quantidades de gás necessárias para sustentar tal glutonaria prolongada.

Os investigadores calcularam a taxa de crescimento do ID830 medindo o seu brilho nos comprimentos de onda ultravioleta (UV) e de raios-X. O seu brilho de raios-X sugere que o ID830 está a acumular massa a cerca de 13 vezes o limite de Eddington, devido a um "surto súbito de gás de entrada" que pode ter ocorrido quando o ID830 desfiou e engoliu um corpo celeste que se aproximou demasiado. Sakiko Obuchi, coautora do estudo e astrónoma observacional da Universidade de Waseda em Tóquio, disse à Live Science por e-mail: "Para um SMBH tão massivo como o ID830, isto exigiria não uma estrela normal (de sequência principal), mas uma estrela gigante mais massiva ou uma enorme nuvem de gás". Obuchi acrescentou que tais fases super-Eddington podem ser incrivelmente breves, uma vez que "esta fase de transição deverá durar aproximadamente 300 anos".

O ID830 também exibe simultaneamente emissões de rádio e raios-X. Não se espera que estas duas características coexistam, especialmente porque se pensa que a acreção super-Eddington suprime tais emissões. "Esta combinação inesperada sugere mecanismos físicos ainda não totalmente capturados pelos modelos atuais de acreção extrema e lançamento de jatos", disseram os investigadores num comunicado. Assim, enquanto o ID830 está a lançar jatos de rádio massivos, as suas emissões de raios-X parecem originar-se de uma estrutura chamada coroa, produzida quando intensos campos magnéticos do disco de acreção criam uma nuvem fina mas turbulenta de partículas super-carregadas de mil milhões de graus. Estas partículas orbitam o buraco negro a quase a velocidade da luz, no que a NASA chama "um dos ambientes físicos mais extremos do universo".

No geral, os comportamentos "quebra-regras" do ID830 sugerem que se encontra numa rara fase de transição de consumo e excreção excessivos. Este incrível surto de alimentação energizou tanto os seus jatos como a sua coroa, fazendo com que o ID830 brilhe intensamente em múltiplos comprimentos de onda enquanto expele o excesso de radiação. Além disso, com base na análise de brilho UV, quasares como o ID830 podem ser inesperadamente comuns, disseram os investigadores. Os modelos preveem que apenas cerca de 10% dos quasares têm jatos de rádio espetaculares, mas estes objetos energéticos podem ser significativamente mais abundantes no universo primordial do que o sugerido anteriormente.

Mais importante ainda, o ID830 também mostra como os SMBH podem regular o crescimento das galáxias no universo primitivo. À medida que um buraco negro devora matéria no limite super-Eddington, a energia das suas emissões resultantes pode aquecer e dispersar a matéria por todo o meio interestelar – o gás entre as estrelas – para suprimir a formação estelar. Como resultado, SMBHs antigos como o ID830 podem ter crescido massivamente à custa das suas galáxias hospedeiras. "Se os buracos negros super-Eddington são mais comuns do que pensávamos, é provável que ainda existam algumas grandes lacunas na nossa compreensão de como os objetos no universo primitivo tomaram forma. Esta descoberta adiciona a uma pilha crescente de evidências do Telescópio Espacial James Webb que mostra estrelas, galáxias e buracos negros no universo antigo que parecem muito maiores e mais maduros do que a teoria prevê", concluiu Obuchi.

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