Ilustração artística de um buraco negro supermassivo em acreção.
O buraco negro central é negro, enquanto o gás circundante aquece e brilha para produzir luz.
O buraco negro central é negro, enquanto o gás circundante aquece e brilha para produzir luz.
Os buracos negros são objetos astronômicos extraordinários, com uma gravidade tão intensa que nada, nem mesmo a luz, pode escapar deles. Os mais gigantescos, conhecidos como buracos negros supermassivos, podem pesar milhões a bilhões de vezes a massa do Sol. Esses colossos habitam, geralmente, os centros das galáxias, incluindo a nossa própria Via Láctea, que também abriga um buraco negro supermassivo em seu coração.
Mas como esses buracos negros supermassivos se tornam tão colossais? Para responder a essa pergunta, nossa equipe de astrofísicos mergulhou na história do universo, analisando seus 13,8 bilhões de anos para rastrear o crescimento desses gigantes desde os primórdios até os dias atuais. Construímos um modelo que abrange os últimos 12 bilhões de anos de crescimento dos buracos negros supermassivos.
Como os Buracos Negros Supermassivos Crescem?
Os buracos negros supermassivos crescem principalmente de duas maneiras: consumindo gás de suas galáxias hospedeiras, em um processo chamado acreção, e fundindo-se com outros buracos negros quando duas galáxias colidem. Quando esses buracos negros consomem gás, eles quase sempre emitem fortes raios X, um tipo de luz de alta energia invisível a olho nu. Você provavelmente já ouviu falar de raios X no dentista, onde eles são usados para examinar seus dentes. Os raios X usados pelos astrônomos geralmente têm energias mais baixas do que os raios X médicos.
Então, como qualquer luz, mesmo invisível, pode escapar dos buracos negros? Estritamente falando, a luz não vem dos buracos negros em si, mas do gás logo ao redor deles. Quando o gás é puxado para um buraco negro, ele se aquece e brilha, produzindo luz como raios X. Quanto mais gás um buraco negro supermassivo consome, mais raios X ele produzirá.
Graças aos dados acumulados ao longo de mais de 20 anos de três dos mais poderosos observatórios de raios X já lançados ao espaço – Chandra, XMM-Newton e eROSITA – os astrônomos podem capturar raios X de um grande número de buracos negros supermassivos em acreção no universo.
Esses dados permitem que nossa equipe de pesquisa estime a rapidez com que os buracos negros supermassivos crescem consumindo gás. Em média, um buraco negro supermassivo pode consumir uma quantidade de gás equivalente à massa do Sol a cada ano, com o valor exato dependendo de vários fatores.
Por exemplo, os dados mostram que a taxa de crescimento de um buraco negro, em média ao longo de milhões de anos, está fortemente ligada à massa de todas as estrelas em sua galáxia hospedeira.
Com que Frequência os Buracos Negros Supermassivos se Fundem?
Além de se alimentarem de gás, os buracos negros supermassivos também podem crescer fundindo-se uns com os outros para formar um único buraco negro mais massivo quando as galáxias colidem. As simulações cosmológicas em supercomputadores podem prever com que frequência esses eventos acontecem. Essas simulações visam modelar como o universo cresce e evolui ao longo do tempo. As inúmeras galáxias voando pelo espaço são como tijolos, construindo o universo.
Essas simulações mostram que as galáxias e os buracos negros supermassivos que elas abrigam podem passar por várias fusões ao longo da história cósmica. Nossa equipe rastreou esses dois canais de crescimento – consumo de gás e fusões – usando raios X e simulações em supercomputadores, e depois os combinou para construir essa história geral de crescimento, que mapeia o crescimento dos buracos negros ao longo do universo por bilhões de anos.
Nossa história de crescimento revelou que os buracos negros supermassivos cresceram muito mais rápido bilhões de anos atrás, quando o universo era mais jovem. Nos primeiros tempos, o universo continha mais gás para os buracos negros supermassivos consumirem, e os buracos negros supermassivos continuavam a surgir. À medida que o universo envelheceu, o gás foi gradualmente se esgotando, e o crescimento dos buracos negros supermassivos desacelerou. Cerca de 8 bilhões de anos atrás, o número de buracos negros supermassivos se estabilizou. Não aumentou substancialmente desde então.
Uma ilustração de uma fusão de dois buracos negros supermassivos.
Quando não há gás suficiente disponível para os buracos negros supermassivos crescerem por acreção, a única maneira de eles aumentarem é por meio de fusões. Não vimos muitos casos disso em nossa história de crescimento. Em média, os buracos negros mais massivos podem acumular massa a partir de fusões a uma taxa de até a massa do Sol a cada várias décadas.
Olhando para o Futuro
Esta pesquisa nos ajudou a entender como mais de 90% da massa dos buracos negros se acumulou nos últimos 12 bilhões de anos. No entanto, ainda precisamos investigar como eles cresceram no universo muito inicial para explicar os poucos por cento restantes da massa nos buracos negros. A comunidade astronômica está começando a fazer progressos na exploração desses buracos negros supermassivos primordiais, e esperamos encontrar mais respostas em breve.
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