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Talvez o James Webb consiga ver como buracos negros supermassivos se formaram

Daniele Cavalcante
·5 minuto de leitura

Os buracos negros de massa estelar surgem através do colapso de estrelas grandes, e estes objetos invisíveis podem ter entre três a 14 massas solares, aproximadamente. Mas os astrônomos sabem que no centro das galáxias existem buracos negros supermassivos, que podem ter até bilhões de massas solares. De onde eles surgiram? Ninguém sabe ao certo, mas um novo estudo faz uma proposta ousada: estrelas supermassivas.

De acordo com os autores do artigo, publicado na Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, essas estrelas seriam parte da primeira geração, com massas muito acima das maiores estrelas que podem ser encontradas no universo atual. Obviamente elas já estão extintas, ou os astrônomos já teriam encontrado algum sinal delas. Se esses “sóis” titânicos existiram no passado e se transformaram nos buracos negros supermassivos, significa que em algum momento elas explodiram em supernovas inimagináveis.

A ideia de que os buracos negros supermassivos surgiram a partir de estrelas primordiais — aquelas que existiram no início do universo — não é exatamente nova, mas é contestada porque as estrelas mais massivas observadas no universo local têm cerca de 100 ou 200 massas solares. Se estrelas dessas proporções colapsaram em buracos negros, elas tiveram que se alimentar de muita matéria para se tornarem supermassivas. Estamos falando de uma eficiência de acreção de matéria pouco realista.

Simulação da explosão de uma estrela em supernova (Imagem: Reprodução/ NASA/JPL-Caltech)
Simulação da explosão de uma estrela em supernova (Imagem: Reprodução/ NASA/JPL-Caltech)

Contudo, o pesquisador Ke-Jung Chen da ASIAA Taiwan propôs em 2014 que uma estrela supermassiva primordial com 100 mil a um milhão de massas solares poderia mudar esse quadro. É que estrelas com essas proporções poderiam gerar buracos negros mais eficientes em acumular matéria, de acordo com Chen. Quanto mais massiva for a estrela progenitora do buraco negro, mais ele será capaz de “engolir” matéria ao seu redor. Além disso, ele não precisaria manter uma taxa de acreção muito alta para crescer rapidamente.

Agora, Chen volta a trabalhar nesta ideia com uma equipe que propõe uma maneira de comprovar — ou descartar — a hipótese da super-estrela: a solução poderia estar nas lentes do Telescópio Espacial James Webb (JWST), que será lançado no final de 2021. Com o poder de alcance deste observatório orbital, os astrônomos poderiam tentar encontrar uma supernova que teria sido o resultado da explosão de uma dessas estrelas com milhares de massas solares.

Essa proposta, obviamente, não é um mero “chute” ou palpite. Chen e sua equipe criaram um modelo de uma dessas supernovas hipotéticas e realizaram uma simulação do transporte de radiação e o comportamento que elas teriam. Após alguns cálculos, eles concluíram que o James Webb tem, sim, uma chance de observar esta supernova, se ela de fato existiu. E se for observada, será a primeira evidência diretamente observada da origem dos buracos negros supermassivos.

As simulações dos cientistas também mostraram que uma estrela com cerca de 55 mil massas solares teria um “comportamento muito interessante devido à relatividade geral”, disse Chen. É que Einstein diz que a energia de tudo, (partículas como fótons, gases, etc.) contribui para o campo gravitacional, explicou o pesquisador. “A pressão começa a contribuir com o campo gravitacional [...] e inicia uma reação nuclear violenta e, em seguida, libera uma grande quantidade de energia e uma explosão de supernova”.

Ilustração de um buraco negro supermassivo (Imagem: Reprodução/NASA/JPL-Caltech)
Ilustração de um buraco negro supermassivo (Imagem: Reprodução/NASA/JPL-Caltech)

Segundo Chen, isso ocorre apenas no ponto ideal de 55 mil massas solares, nem mais, nem menos — se a massa estiver muito acima disso, o resultado será uma estrela colapsando diretamente em um buraco negro, e nesse caso não haverá nenhuma chance de encontrarmos vestígios desses eventos, tampouco das super-estrelas progenitoras. Supernovas de 55 mil massas solares é um bom número para se procurar no universo antigo. É bem provável que alguém encontre, caso elas estiverem lá.

Prosseguindo em sua explicação sobre as estrelas supermassivas, Chen afirma que elas só poderiam se formar no início do universo, e por isso não há nenhuma delas por aí. Isso seria devido à presença do que ele chama de metais, mas são essencialmente elementos além do hélio e hidrogênio. “No Big Bang, temos apenas hidrogênio, hélio e uma pequena quantidade de lítio”, disse Chen. “Como esses elementos (metais) têm grandes números atômicos e muitos elétrons em suas órbitas, eles podem formar moléculas e compostos. Isso resfriará o gás (circundante) de forma eficiente, levando ao colapso e à formação de um aglomerado de estrelas”.

Em outras palavras, como não havia esses “metais” no início do universo, as chances de um grande volume de gás colapsar em uma única estrela, e não em aglomerados de estrelas, são boas. Há alguns contrapontos na proposta, no entanto, e a principal delas é a chance de que essas estrelas colossais teriam de explodir em supernovas. De acordo com os modelos atuais, elas teriam grandes chances de colapsar diretamente em buracos negros, “pulando” a etapa da explosão, pois a gravidade exercida por ela seria muito forte.

Modelo de supernova supermassiva proposta pelo Dr. Chen (Imagem: Reprodução/Dr. Ke-Jung Chen/ASIAA)
Modelo de supernova supermassiva proposta pelo Dr. Chen (Imagem: Reprodução/Dr. Ke-Jung Chen/ASIAA)

Além disso, para observar uma supernova primordial, será necessário olhar para o universo a bilhões de anos-luz de distância, para que possa ser encontrada a radiação emitida naquela época. Na prática, isso significa que os astrônomos precisarão procurar por alguma supernova localizada a 13 bilhões de anos-luz, aproximadamente (considerando a expansão do universo, o que torna os cálculos um pouco mais complicados, mas não impossíveis).

A boa notícia é que o James Webb pode ser capaz de “enxergar” a grandes distâncias como esta. A má notícia é que ninguém sabe dizer se tais supernovas existem mesmo e para onde apontar as lentes do telescópio. Essa pode ser uma busca frustrante, mas se cientistas como o Dr. Chen e sua equipe mantiverem o entusiasmo em suas buscas por respostas, pode ser apenas uma questão de tempo até que encontrem uma supernova distante, antiga e muito, muito grande.

Fonte: Canaltech

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