Ilustração do universo primitivo. Crédito de imagem: NASA. Clique para ampliar.
Tudo começou há muito tempo, enquanto o universo era muito jovem. As primeiras estrelas maciças de criadores brincavam na juventude - girando e pulando entre ricas gramíneas verdes de matéria virgem. À medida que o tempo estipulado se esgotava, os motores nucleares ferviam fluxos expansivos de hidrogênio quente e gás hélio - enriquecendo a mídia interestelar. Durante esta fase, aglomerados de estrelas supermassivos se formaram em pequenos bolsos perto de núcleos galácticos nascentes - cada aglomerado nadou em pequenas regiões de matéria primordial de mini-halo.
Completando seu ciclo, as primeiras estrelas criadoras explodiram, expelindo átomos pesados. Porém, antes que muita matéria pesada se acumulasse no Universo, os primeiros buracos negros se formaram, cresceram rapidamente através da assimilação mútua e acumularam influência gravitacional suficiente para atrair gases "Cachinhos Dourados" de temperaturas e composição precisas em grandes discos de acúmulo. Essa fase supercrítica do crescimento amadureceu os primeiros buracos negros maciços (MBHs) rapidamente até o status de buraco negro supermassivo (SMBH). A partir disso, os primeiros quasares se estabeleceram nos mini-halos fundidos de numerosas protogalaxias.
Essa imagem da formação inicial do quasar emergiu de um artigo recente (publicado em 2 de junho de 2005) intitulado "Crescimento rápido de buracos negros de alto desvio para o vermelho", escrito pelos cosmólogos Martin J. Rees e Marta Volonteri, dos cosmólogos de Cambridge, Reino Unido. Esse estudo trata da possibilidade de uma breve janela de rápida formação de SMBH ser aberta após o tempo de transparência universal, mas antes que os gases na mídia interestelar sejam totalmente ionizados novamente por radiação estelar e semeados com metais pesados por supernovas. O modelo de Rees-Volonteri tenta explicar os fatos que saem do conjunto de dados do Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Um bilhão de anos após o Big Bang, muitos quasares altamente radiantes já haviam se formado. Cada uma com SMBHs com massas superiores a 1 bilhão de sóis. Elas surgiram de “buracos negros de sementes” - cinzas gravitacionais deixadas para trás após o primeiro ciclo de supernovas entre os primeiros aglomerados galácticos. Por um bilhão de anos após o Big Bang, tudo estava acabado. Como tanta massa poderia se condensar tão rapidamente em regiões tão pequenas do espaço?
De acordo com Volontari e Rees, “cultivar essas sementes até 1 bilhão de massas solares requer um acréscimo quase contínuo de gás ...”. Trabalhar contra uma taxa de acréscimo tão alta é o fato de que a radiação da matéria que cai em um buraco negro geralmente compensa rapidamente “ ganho de peso". A maioria dos modelos de crescimento de SMBH mostra que cerca de 30% da massa que cai em direção a um buraco negro intermediário (maciço - não supermassivo) é convertido em radiação. O efeito disso é duplo: a matéria que de outra forma alimentaria o MBH é perdida pela radiação, e a pressão de radiação externa sufoca a marcha de matéria adicional para dentro para alimentar um crescimento rápido.
A chave para entender a formação rápida de SMBH está na possibilidade de que os discos de acúmulo antecipado em torno dos MBH não fossem tão densamente opticamente como são hoje - mas "gordos" com matéria distribuída com tenacidade. Sob tais condições, a radiação tem um caminho livre médio mais amplo e pode escapar além dos discos sem impedir o movimento interno da matéria. O combustível que impulsiona todo o processo de crescimento do SMBH é entregue copiosamente no horizonte de eventos dos buracos negros. Enquanto isso, o tipo de matéria presente na época mais antiga era principalmente hidrogênio e hélio monatômico - não o tipo de discos de acreção ricos em metais pesados de uma era posterior. Tudo isso sugere que os primeiros MBHs cresceram às pressas, respondendo por muitos quasares maduros vistos no conjunto de dados do SDSS. Esses MBHs iniciais devem ter taxas de conversão de energia em massa mais típicas de SMBHs totalmente maduras do que as MBHs de hoje.
Volontari e Rees dizem que pesquisadores anteriores mostraram que “quasares totalmente desenvolvidos têm uma eficiência de conversão de energia em massa de aproximadamente 10%…”. O par adverte, no entanto, que esse valor de conversão de energia em massa resulta de estudos de quasares de um período posterior na Universal. expansão e que “nada se sabe sobre a eficiência radiativa dos quasares pregaláticos no início do Universo”. Por esse motivo, “a imagem que temos do universo com baixo desvio para o vermelho pode não se aplicar em épocas anteriores.” Claramente, o Universo primitivo estava mais densamente cheio de matéria, que estava em uma temperatura mais alta e havia uma proporção maior de não-metais para metais. Todos esses fatores dizem que quase todo mundo adivinha as eficiências de conversão de energia em massa dos primeiros MBHs. Como agora precisamos explicar por que existem tantas SMBHs entre os primeiros quasares, faz sentido que Volontari e Rees usem o que sabem dos discos de acúmulo de hoje como um meio de explicar como esses discos podem ter sido diferentes no passado.
E são os primeiros tempos - antes da radiação de inúmeras estrelas reionizar gases dentro da mídia interestelar - que ofereciam condições propícias para a rápida formação de SMBH. Tais condições podem muito bem ter durado menos de 100 milhões de anos e requerer um equilíbrio adequado na temperatura, densidade, distribuição e composição da matéria no Universo.
Para obter uma imagem completa (como pintada no jornal), começamos com a idéia de que o universo primitivo era povoado por inúmeros mini-halos compostos de matéria escura e bariônica com aglomerados de estrelas altamente maciços, mas extremamente densos no meio. Devido à densidade desses aglomerados - e à massa das estrelas que os compõem - as supernovas se desenvolveram rapidamente para gerar inúmeros “buracos negros de sementes”. Essas BHs de sementes se fundiram em enormes buracos negros. Enquanto isso, forças gravitacionais e movimentos reais rapidamente reuniram os vários mini-halos. Isso criou halos cada vez mais massivos, capazes de alimentar MBHs.
No início do Universo, a matéria em torno dos MBHs assumia a forma de enormes esferóides de hidrogênio e hélio, pobres em metais, com temperatura média de cerca de 8.000 graus Kelvin. A temperaturas tão altas, os átomos permanecem ionizados. Devido à ionização, havia poucos elétrons associados aos átomos para atuar como armadilhas de fótons. Os efeitos da pressão de radiação diminuíram a ponto de a matéria cair mais rapidamente no horizonte de eventos dos buracos negros. Enquanto isso, os elétrons livres dispersam a luz. Parte dessa luz realmente irradia de volta para o disco de acreção e outra fonte de massa - na forma de energia - alimenta o sistema. Finalmente, uma escassez de metais pesados - como oxigênio, carbono e nitrogênio - significa que os átomos monotômicos permanecem quentes. Quando as temperaturas caem abaixo de 4.000 graus K, os átomos se desionizam e novamente ficam sujeitos à pressão de radiação, reduzindo o fluxo de matéria fresca que cai no horizonte de eventos de BH. Todas essas propriedades puramente físicas tendem a reduzir os índices de eficiência de energia em massa - permitindo aos MBH ganhar peso rapidamente.
Enquanto isso, à medida que os mini-halos coalesciam, a matéria bariônica quente condensava-se em enormes discos "grossos" - e não nos anéis finos vistos hoje nas SMBH. Isso ocorreu porque a própria matéria halo cercou completamente os MBHs que crescem rapidamente. Essa distribuição esferoidal da matéria fornecia uma fonte constante de matéria fresca, quente e virgem para alimentar o disco de acreção de vários ângulos. Discos grossos significavam maiores quantidades de matéria com menor densidade óptica. Mais uma vez, a matéria conseguiu evitar ser "navegada pelo sol" para fora da proxima iminência do MBH e as taxas de conversão de energia em massa caíram.
Ambos os fatores - discos de gordura e átomos ionizados de baixa massa - dizem que durante a idade de ouro de um universo verde primitivo, os MBHs cresceram rapidamente. Dentro de um bilhão de anos do Big Bang, eles se estabeleceram em uma maturidade relativamente silenciosa, convertendo a matéria em luz com eficiência e lançando essa luz através de vastos períodos de tempo e espaço, em um universo potencialmente em expansão.
Escrito por Jeff Barbour
