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Uma maravilha astronômica oculta: como o colapso direto do buraco negro desvenda o mistério da formação de buracos negros supermassivos?
Buracos negros de colapso direto (DCBHs) são um tipo de protótipo de buraco negro de alta massa que se formam a partir do colapso direto de grandes quantidades de matéria. Especula-se que esses buracos negros tenham se formado na faixa de desvio para o vermelho z=15–30, quando o universo tinha cerca de 100 a 250 milhões de anos. Ao contrário dos progenitores de buracos negros formados por estrelas de primeira geração (também chamadas de estrelas do Tipo III), as sementes de buracos negros de colapso direto são formadas por instabilidades relativísticas gerais diretas. Quando esses buracos negros se formam, eles normalmente têm uma massa de cerca de 10^5 M☉.
Este tipo de protótipo de buraco negro foi originalmente proposto para enfrentar o desafio de observar buracos negros supermassivos no desvio para o vermelho z~7, o que foi confirmado por muitas observações.
Mecanismo de formação
Acredita-se que buracos negros de colapso direto (DCBHs) sejam protótipos de buracos negros gigantes formados no universo de alto desvio para o vermelho, com massas de cerca de 10^5 M☉ quando se formam, mas podem variar de 10^4 M☉ a 10^6 M☉. As condições ambientais para a formação do DCBH são as seguintes:
- Nenhum gás metálico (apenas hidrogênio e hélio).
- Os átomos resfriam o gás.
- O fluxo de fótons de Lyman-Wierth é grande o suficiente para romper as moléculas de hidrogênio, o que torna o resfriamento do gás menos eficiente.
Satisfazer as condições acima pode evitar o resfriamento do gás e, assim, evitar a fragmentação da nuvem de gás original. Nuvens de gás que não conseguem se fragmentar e formar estrelas sofrem colapso gravitacional global e atingem densidades de matéria extremamente altas em seus núcleos, cerca de 10^7 g/cm3. Em tais densidades, o objeto experimentaria instabilidades relativísticas gerais, eventualmente formando um buraco negro com uma massa de cerca de 10^5 M☉, ou até mesmo 1 milhão de M☉. A ocorrência dessa instabilidade, juntamente com a ausência de um estágio estelar intermediário, faz com que esse tipo de buraco negro seja chamado de buraco negro de colapso direto.
Estatísticas de Quantidade
Acredita-se que buracos negros de colapso direto sejam extremamente raros no universo de alto desvio para o vermelho porque é bastante desafiador atender às três condições básicas para sua formação de uma só vez. Simulações cosmológicas atuais sugerem que a densidade numérica de DCBHs no desvio para o vermelho 15 pode ser de apenas cerca de 1 por gigapascal cúbico. No caso mais otimista, com base no fluxo mínimo de fótons de Lyman-Wierth necessário para a formação, a densidade numérica poderia atingir cerca de 10^7 DCBHs por gigapascal cúbico.
Progresso da detecção
Em 2016, uma equipe liderada pelo astrofísico Fabio Pacucci, da Universidade de Harvard, usou dados do Telescópio Espacial Hubble e do Observatório de Raios X Chandra para identificar os dois primeiros candidatos a buracos negros de colapso direto. Ambos os candidatos têm desvios para o vermelho maiores que 6 e propriedades espectrais consistentes com aquelas previstas para tais fontes. Em particular, prevê-se que essas fontes tenham um excesso significativo de emissão infravermelha em desvios para o vermelho mais altos.
No futuro, observações adicionais, especialmente usando o Telescópio Espacial James Webb, serão cruciais para investigar as propriedades dessas fontes e confirmar sua natureza.
Diferenças de outros tipos de buracos negros
Buracos negros primordiais são aqueles formados pelo colapso direto de matéria energética ou ionizada durante períodos de expansão ou períodos dominados por radiação, enquanto buracos negros de colapso direto são o resultado do colapso de regiões de gás anormalmente densas e grandes. Vale ressaltar que buracos negros formados pelo colapso de estrelas do Tipo III não são considerados colapsos "diretos".
No processo de exploração dos mistérios do universo, a importância do colapso direto dos buracos negros foi gradualmente reconhecida, e pesquisas futuras podem revelar mais pistas sobre o mistério da formação de buracos negros supermassivos. Neste universo misterioso, quantos buracos negros desconhecidos estão esperando que os humanos os descubram?
