O Telescópio Espacial James Webb (JWST) revelou um universo muito mais ativo em sua infância do que se imaginava, mostrando uma abundância de objetos massivos em altos redshifts. Entre eles estão os misteriosos “Pequenos Pontos Vermelhos”, galáxias compactas que acredita-se abrigarem buracos negros supermassivos. Essa descoberta desafia nossos modelos padrão de formação de galáxias, que têm dificuldades em explicar como tais gigantes poderiam se formar tão cedo.
Índice
O Problema das Sementes Leves
Modelos convencionais propõem que os primeiros buracos negros se formam a partir da morte de estrelas da População III, resultando em “sementes leves” relativamente pequenas. Mesmo com acreção contínua e máxima, essas sementes leves não conseguem atingir as massas observadas de quasares de alto redshift e Pequenos Pontos Vermelhos. Essa discrepância impulsionou a busca por mecanismos alternativos que possam produzir “sementes pesadas” significativamente maiores.
Cordas Cósmicas: Uma Nova Fonte de Perturbações de Densidade
Entram em cena as cordas cósmicas, defeitos topológicos unidimensionais hipotéticos previstos por muitas extensões do Modelo Padrão da física de partículas. Essas cordas, vestígios de transições de fase no universo primordial, são semelhantes a regiões de alta concentração de densidade de massa, não muito diferentes de buracos negros primordiais. No entanto, ao contrário dos buracos negros primordiais, as cordas cósmicas são produzidas continuamente em todos os redshifts e possuem altas velocidades em relação à matéria escura. Essa produção contínua, combinada com seu movimento, gera um cenário único de perturbações de densidade, criando uma fonte secundária de formação de estruturas no universo primitivo.
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), liderados por Bryce Cyr, desenvolveram uma nova estrutura para calcular a função de massa completa do halo para essas superdensidades geradas por cordas. Seu trabalho se baseia e melhora modelos anteriores, que se concentravam principalmente na acreção em torno de objetos estacionários, incorporando os efeitos significativos da velocidade dos laços.
A Dança da Acreção: Laços Estacionários e em Movimento
Quando um laço de corda cósmica está relativamente estacionário, a acreção de matéria escura ocorre de maneira relativamente simples e esférica. No entanto, a alta velocidade típica de um laço de corda cria uma dinâmica diferente. Em vez de uma acreção esférica, a matéria escura forma um rastro cilíndrico atrás do laço em movimento, criando um filamento. Esse filamento, dependendo da velocidade do laço, pode permanecer intacto ou se fragmentar em vários “grânulos”—aglomerados menores e quase esféricos de matéria escura.
A equipe de pesquisa mostrou que a massa do halo resultante depende fortemente da velocidade do laço. Laços que se movem lentamente exibem acreção esférica, enquanto laços mais rápidos formam filamentos que, dependendo de sua velocidade, podem permanecer inteiros ou se dividir em vários halos menores. A maioria dos laços, de acordo com suas simulações, se enquadra no cenário fragmentado, criando muitos halos menores de matéria escura. Essa fragmentação é crucial, pois aumenta substancialmente o número de locais potenciais para a formação de buracos negros.
Buracos Negros de Colapso Direto: As Sementes Pesadas
A equipe investigou quais dessas superdensidades geradas por cordas poderiam atender às condições para a formação de buracos negros de colapso direto (DCBH). DCBHs são buracos negros massivos formados através do colapso rápido e monolítico de nuvens de gás em redshifts muito altos (z > 200). Esse processo requer temperaturas suficientemente altas para disparar o resfriamento atômico, um ambiente relativamente puro desprovido de elementos pesados que inibiria o colapso e uma massa grande o suficiente para alimentar o crescimento do buraco negro. Os pesquisadores descobriram que as condições para a formação de DCBH são particularmente favoráveis no cenário fragmentado.
Correspondência com Observações: Pequenos Pontos Vermelhos e Além
Notavelmente, os pesquisadores descobriram que a abundância de DCBHs prevista por seu modelo, para valores razoáveis de parâmetros de corda, corresponde de perto à abundância observada de Pequenos Pontos Vermelhos. Isso sugere que as cordas cósmicas podem ser a peça que faltava para explicar a surpreendente atividade do universo de alto redshift.
No entanto, uma comparação mais precisa requer um refinamento adicional do modelo para levar em conta o momento angular dos halos. O alto momento angular pode diminuir a eficiência do colapso direto. O estudo também observa várias avenidas para pesquisas futuras, incluindo a investigação de restrições de outras observações cosmológicas e o refinamento do modelo para levar em conta os padrões de acreção em torno de laços que se movem mais lentamente.
Implicações e Pesquisas Futuras
O trabalho abre novas e empolgantes avenidas de pesquisa sobre o universo primitivo. As descobertas destacam o potencial das cordas cósmicas para desempenhar um papel significativo na formação de estruturas, oferecendo um mecanismo alternativo ou complementar ao paradigma padrão. Mais investigações são necessárias para entender completamente as implicações deste modelo e para testar suas previsões em relação a observações futuras. O desenvolvimento de simulações mais sofisticadas, combinado com uma compreensão mais profunda da distribuição do momento angular de halos gerados por cordas, pode ser particularmente importante.
Esta pesquisa fornece uma nova imagem convincente do universo primitivo, sugerindo um papel anteriormente não apreciado das cordas cósmicas na formação dos primeiros buracos negros. Ela oferece uma nova perspectiva sobre os desafios do modelo padrão e destaca a importância contínua do trabalho teórico inovador em cosmologia. A descoberta dos Pequenos Pontos Vermelhos já mudou nossa compreensão do universo primitivo, e estudos como este estão ajudando a iluminar os mistérios de como e quando esses objetos massivos se formaram.
