Usando um novo modelo computacional de formação de galáxias, os pesquisadores mostraram que o crescimento de buracos negros libera uma explosão de energia que regula fundamentalmente a evolução da galáxia e o próprio crescimento do buraco negro. O modelo explica os fenômenos observados pela primeira vez e promete fornecer insights mais profundos sobre a nossa compreensão da formação de galáxias e o papel dos buracos negros ao longo da história cósmica, de acordo com seus criadores. Publicado na edição de 10 de fevereiro da revista Nature, os resultados foram gerados pela astrofísica da Universidade Carnegie Mellon, Tiziana Di Matteo e seus colegas, no Instituto Max Planck de Astrophysik, na Alemanha. Os colaboradores de Di Matteo incluem Volker Springel no Instituto Max-Planck de Astrofísica e Lars Hernquist na Universidade de Harvard.
"Nos últimos anos, os cientistas começaram a perceber que a massa total de estrelas nas galáxias de hoje corresponde diretamente ao tamanho do buraco negro de uma galáxia, mas até agora ninguém poderia explicar essa relação observada", disse Di Matteo, professor assistente de física na Carnegie Mellon. "Usar nossas simulações nos deu uma maneira completamente nova de explorar esse problema."
A chave para os pesquisadores? O avanço foi incorporar cálculos para a dinâmica de buracos negros em um modelo computacional de formação de galáxias.
Como as galáxias se formaram no universo primitivo, elas provavelmente continham pequenos buracos negros em seus centros. No cenário padrão de formação de galáxias, as galáxias crescem se unindo pela força da gravidade. No processo, os buracos negros em seu centro se fundem e crescem rapidamente para atingir suas massas observadas um bilhão de vezes a do Sol; portanto, são chamados buracos negros supermassivos. Também no momento da fusão, a maioria das estrelas se forma a partir do gás disponível. As galáxias de hoje e seus buracos negros centrais devem ser o resultado de uma série de tais eventos.
Di Matteo e seus colegas simularam a colisão de duas galáxias nascentes e descobriram que quando as duas galáxias se uniram, seus dois buracos negros supermassivos se fundiram e consumiram inicialmente o gás circundante. Mas essa atividade era autolimitada. À medida que o buraco negro supermassivo da galáxia remanescente sugava gás, ele alimentava um estado luminescente chamado quasar. O quasar energizou o gás circundante a um nível tal que foi expelido da vizinhança do buraco negro supermassivo para o exterior da galáxia. Sem gás próximo, o buraco negro supermassivo da galáxia não poderia "comer" para se sustentar e ficar dormente. Ao mesmo tempo, o gás não estava mais disponível para formar mais estrelas.
"Descobrimos que a energia liberada pelos buracos negros durante uma fase quasar alimenta um vento forte que impede que o material caia no buraco negro", disse Springel. “Esse processo inibe o crescimento de um buraco negro e desliga o quasar, assim como a formação de estrelas para dentro de uma galáxia. Como resultado, a massa do buraco negro e a massa de estrelas em uma galáxia estão intimamente ligadas. Nossos resultados também explicam pela primeira vez por que a vida útil do quasar é uma fase tão curta em comparação com a vida de uma galáxia. ”
Em suas simulações, Di Matteo, Springel e Hernquist descobriram que os buracos negros em pequenas galáxias auto-limitam seu crescimento mais efetivamente do que naqueles em galáxias maiores. Uma galáxia menor contém quantidades menores de gás, de modo que uma pequena quantidade de energia do buraco negro pode soprar rapidamente esse gás. Em uma galáxia grande, o buraco negro pode atingir um tamanho maior antes que o gás circundante seja energizado o suficiente para parar de cair. Com o gás gasto rapidamente, galáxias menores produzem menos estrelas. Com uma piscina de gás de vida mais longa, galáxias maiores formam mais estrelas. Essas descobertas correspondem à relação observada entre o tamanho do buraco negro e a massa total de estrelas nas galáxias.
"Nossas simulações demonstram que a auto-regulação pode explicar quantitativamente os fatos observados associados a buracos negros e galáxias", disse Hernquist, professor e diretor de astronomia da Faculdade de Artes e Ciências de Harvard. "Ele fornece uma explicação para a origem da vida do quasar e deve permitir-nos entender por que os quasares eram mais abundantes no universo primitivo do que são hoje".
"Com esses cálculos, agora vemos que os buracos negros devem ter um enorme impacto na forma como as galáxias se formam e evoluem", disse Di Matteo. "Os sucessos obtidos até agora nos permitirão implementar esses modelos em universos simulados maiores, para que possamos entender como grandes populações de buracos negros e galáxias se influenciam mutuamente em um contexto cosmológico".
A equipe executou suas simulações com os extensos recursos computacionais do Center for Parallel Astrophysical Computing no Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics e no Rechenzentrum der Max-Planck-Gesellschaft em Garching.
Fonte original: Comunicado de imprensa do Instituto Max Planck
