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Ao combinar observações de raios-X de vanguarda com simulações de supercomputadores de última geração da formação de galáxias ao longo da história cósmica, os investigadores forneceram a melhor modelação até à data do crescimento dos buracos negros supermassivos encontrados nos centros das galáxias. Utilizando esta abordagem híbrida, uma equipa de investigação liderada por astrónomos da Penn State obteve uma imagem completa do crescimento dos buracos negros ao longo de 12 mil milhões de anos, desde a infância do Universo, com cerca de 1,8 mil milhões de anos, até aos 13,8 mil milhões de anos atuais.
A pesquisa compreende dois artigos, um publicado em O Jornal Astrofísico em abril de 2024, e um ainda inédito que será submetido à mesma revista. Os resultados serão apresentados na 244ª reunião da Sociedade Astronômica Americana, realizada de 9 a 13 de junho no Monona Terrace Convention Center em Madison, Wisconsin.
“Os buracos negros supermassivos nos centros das galáxias têm milhões a milhares de milhões de vezes a massa do Sol,” disse Fan Zou, estudante de pós-graduação na Penn State e primeiro autor dos artigos. “Como é que se tornam tais monstros? Esta é uma questão que os astrónomos têm estudado há décadas, mas tem sido difícil rastrear todas as formas como os buracos negros podem crescer de forma fiável.”
Os buracos negros supermassivos crescem através de uma combinação de dois canais principais. Consomem gás frio da sua galáxia hospedeira – um processo chamado acreção – e podem fundir-se com outros buracos negros supermassivos quando as galáxias colidem.
“Durante o processo de consumo de gás das suas galáxias hospedeiras, os buracos negros irradiam fortes raios X, e esta é a chave para acompanhar o seu crescimento por acreção,” disse W. Niel Brandt, Professor de Astronomia e Astrofísica da Eberly Family Chair e professor de física na Penn State e líder da equipe de pesquisa. “Medimos o crescimento impulsionado pela acreção usando dados de pesquisas de raios X do céu acumulados ao longo de mais de 20 anos de três das mais poderosas instalações de raios X já lançadas ao espaço.”
A equipe de pesquisa usou dados complementares do Observatório de Raios-X Chandra da NASA, da Missão Multi-Espelho de Raios-X-Newton da Agência Espacial Europeia (XMM-Newton) e do telescópio eROSITA do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre. No total, mediram o crescimento impulsionado pela acreção numa amostra de 1,3 milhões de galáxias que continham mais de 8.000 buracos negros em rápido crescimento.
“Todas as galáxias e buracos negros da nossa amostra estão muito bem caracterizados em múltiplos comprimentos de onda, com medições excelentes nas bandas infravermelha, óptica, ultravioleta e de raios X”, disse Zou. “Isto permite conclusões robustas, e os dados mostram que, em todas as épocas cósmicas, galáxias mais massivas aumentaram os seus buracos negros por acreção mais rapidamente. Com a qualidade dos dados, fomos capazes de quantificar este importante fenómeno muito melhor do que em trabalhos anteriores. .”
A segunda maneira pela qual os buracos negros supermassivos crescem é através de fusões, onde dois buracos negros supermassivos colidem e se fundem para formar um único buraco negro ainda mais massivo. Para acompanhar o crescimento por meio de fusões, a equipe usou o IllustrisTNG, um conjunto de simulações de supercomputadores que modelam a formação, evolução e fusão de galáxias desde logo após o Big Bang até o presente.
“Na nossa abordagem híbrida, combinamos o crescimento observado por acreção com o crescimento simulado através de fusões para reproduzir a história de crescimento de buracos negros supermassivos”, disse Brandt. “Com esta nova abordagem, acreditamos ter produzido a imagem mais realista do crescimento dos buracos negros supermassivos até aos dias de hoje.”
Os investigadores descobriram que, na maioria dos casos, a acreção dominou o crescimento dos buracos negros. As fusões deram contribuições secundárias notáveis, especialmente ao longo dos últimos 5 mil milhões de anos do tempo cósmico, para os buracos negros mais massivos. No geral, os buracos negros supermassivos de todas as massas cresceram muito mais rapidamente quando o Universo era mais jovem. Por causa disto, o número total de buracos negros supermassivos foi quase liquidado há 7 mil milhões de anos, enquanto no passado muitos novos buracos continuaram a surgir no Universo.
“Com a nossa abordagem, podemos rastrear como os buracos negros centrais no universo local provavelmente cresceram ao longo do tempo cósmico”, disse Zou. “Como exemplo, consideramos o crescimento do buraco negro supermassivo no centro da nossa Galáxia, a Via Láctea, que tem uma massa de 4 milhões de massas solares. Os nossos resultados indicam que o buraco negro da nossa Galáxia provavelmente cresceu relativamente tarde no tempo cósmico. “
Além de Zou e Brandt, a equipe de pesquisa inclui Zhibo Yu, estudante de pós-graduação na Penn State; Hyungsuk Tak, professor assistente de estatística e de astronomia e astrofísica na Penn State; Elena Gallo, da Universidade de Michigan; Bin Luo, da Universidade de Nanjing, na China; Qingling Ni no Instituto Max Planck de Física Extraterrestre na Alemanha; Yongquan Xue, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China; e Guang Yang na Universidade de Groningen, na Holanda.
O financiamento da National Science Foundation dos EUA, do Chandra X-ray Center e da Penn State apoiou este trabalho. O trabalho também foi possível graças à partilha dos resultados da simulação IllustrisTNG com a comunidade científica.
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