Como os buracos negros supermassivos ficaram tão grandes e tão rápido logo após o Big Bang?

“É como ver uma família andando pela rua, e eles têm dois adolescentes de um metro e oitenta, mas também têm com eles uma criança de um metro e oitenta de altura.”

Os cientistas agora entendem que os buracos negros supermassivos se escondem no coração da maioria, senão de todas as galáxias. Estes titãs cósmicos têm massas de milhões e até milhares de milhões de vezes a do Sol, mas o tamanho tremendo não constitui um problema quando buracos negros supermassivos são vistos no universo local e, portanto, mais recentes na história cósmica.

No entanto, os buracos negros supermassivos tornam-se um problema quando são vistos no Universo primitivo e já têm massas equivalentes a milhares de milhões de sóis. Isto porque deve existir algum mecanismo que permita que buracos negros supermassivos acumulem massa rapidamente e cresçam até tamanhos tão gigantescos, mas todos os mecanismos existentes para este crescimento sugerem que este processo prossegue demasiado lentamente para que objetos como este existam logo após o Big Bang.

"Ao longo das últimas duas décadas, os astrónomos encontraram buracos negros supermassivos com as mesmas massas do universo local e, portanto, mais recente - milhares de milhões de massas solares - há quase 13 mil milhões de anos, menos de mil milhões de anos após o Big Bang", realça Royal. John Reagan, pesquisador da Society University da Maynooth University, disse ao Space.com.

Regan descreve o problema com uma analogia um tanto perturbadora. "É como ver uma família andando na rua, e eles têm dois adolescentes de um metro e oitenta, mas também têm com eles uma criança de um metro e oitenta de altura. Isso é um pouco problemático, como a criança ficou tão alta? E é o mesmo para buracos negros supermassivos no universo. Como eles ficaram tão massivos tão rapidamente?"

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Esta questão complicou-se ainda mais este ano, quando o Telescópio Espacial James Webb (JWST) descobriu o buraco negro supermassivo mais distante e mais antigo. Localizado no coração da galáxia CEERS 1019, este buraco negro tem uma massa de 9 milhões de vezes a do Sol, o que o torna relativamente pequeno para um buraco negro supermassivo.

No entanto, mesmo com este tamanho, a existência deste apenas 570 milhões de anos após o Big Bang é um desafio para as teorias do crescimento do buraco negro. E este buraco negro de 9 milhões de massa solar não estava sozinho. A mesma campanha de observação que revelou este buraco negro supermassivo, o Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), também descobriu dois outros buracos negros supermassivos que existiram há mil milhões de anos e 1,1 mil milhões de anos após o Big Bang.

“A cada nova descoberta, as restrições às nossas ideias existentes tornam-se mais fortes”, disse Shantanu Basu, professor da Universidade Canadense de Western Ontario, ao Space.com. "Ficámos preocupados quando buracos negros supermassivos foram vistos 800 milhões de anos depois do Big Bang. O CEERS apenas aumenta tremendamente o desafio."

Isto sugere que os buracos negros supermassivos são comuns na relativa infância do Universo, e não uma raridade cósmica, colocando assim mais pressão na procura de um mecanismo que explique como chegaram lá.

Descontando os buracos negros primordiais que se supõe terem sobrado após o Big Bang, as três categorias principais de buracos negros são buracos negros de massa estelar, que têm massa entre 5 e 100 vezes a do Sol, buracos negros de massa intermediária com massas entre 100 e 10.000 vezes a do Sol. a do Sol e buracos negros supermassivos com as massas mencionadas acima.

Os buracos negros de massa estelar formam-se quando as estrelas mais massivas, com entre 30 e 130 massas solares, ficam sem combustível para a fusão nuclear e já não conseguem sustentar-se contra a sua própria gravidade. À medida que as camadas externas dessas estrelas são destruídas em enormes explosões de supernovas, os núcleos entram em colapso para criar buracos negros de massa estelar – regiões do espaço com um ponto de densidade infinita chamado singularidade em seu centro e um limite externo chamado horizonte de eventos onde a força da gravidade é tão grande que nem mesmo a luz consegue escapar dela.

Os buracos negros supermassivos devem se formar de uma maneira diferente dos buracos negros de massa estelar, pois é impossível para uma estrela ser grande o suficiente para ter a massa inicial inicial para perder massa à medida que evolui através de eventos como a supernova que acompanha o colapso gravitacional do estrela, mas ainda deixa para trás um núcleo massivo o suficiente para se tornar um buraco negro supermassivo.