Um fundo ténue de ondas gravitacionais de frequência extremamente baixa detectadas através de uma rede de pulsares pode conter pistas sobre eventos que ocorreram há mais de 13 mil milhões de anos, incluindo o surgimento de alguns dos primeiros buracos negros supermassivos do Universo.
Em um estudo publicado como uma carta revisão física dOs pesquisadores da Universidade Colgate, Sohan Ghodla e Cosmin Ili, investigaram se buracos negros supermassivos que se originaram no universo primitivo poderiam, em última análise, gerar uma porção significativa da onda gravitacional de fundo agora sendo medida por Pulsar Timing Arrays, ou PTAs.
Estas descobertas ligam duas áreas da astronomia que podem parecer distantes à primeira vista. Estas incluem a observação de buracos negros surpreendentemente massivos que já existiam quando o Universo era jovem. A segunda envolve ondas gravitacionais geradas por um par de buracos negros supermassivos que se movem em direção um ao outro bilhões de anos depois.
Os investigadores descobriram que uma possível classe de sementes primordiais de buracos negros, os restos deixados por estrelas escuras supermassivas, poderia potencialmente fornecer uma contribuição importante para o sinal PTA.
“O Pulsar Timing Array é geralmente considerado uma sonda de binários de buracos negros supermassivos no universo relativamente recente”, disse Iley. “O nosso trabalho mostra que o sinal também pode conter informações sobre como os progenitores dos buracos negros se formaram na madrugada cósmica. Neste sentido, as ondas gravitacionais observadas hoje podem fornecer uma nova janela para o nascimento dos primeiros buracos negros supermassivos.”
Pulsares como relógios cósmicos precisos
As matrizes de temporização de pulsares dependem de estrelas de nêutrons de rotação rápida, conhecidas como pulsares, que atuam como relógios excepcionalmente precisos no espaço. Quando as ondas gravitacionais viajam pelo universo, elas causam pequenas mudanças no tempo das ondas de rádio que eventualmente chegam à Terra. Ao rastrear múltiplos pulsares durante longos períodos de tempo, equipas de investigação internacionais encontraram evidências de fundos de ondas gravitacionais estocásticas em frequências nanohertz.
A explicação astronómica mais amplamente aceite para este cenário é uma população de binários de buracos negros supermassivos que se movem lentamente para dentro. Sistemas cuja massa combinada de buracos negros excede cerca de mil milhões de sóis dão contribuições particularmente significativas nas frequências detectadas pelo PTA.
Mas explicar esses buracos negros gigantes levanta uma questão mais profunda. Os astrónomos ainda querem saber como se formaram as suas sementes originais. Observatórios, incluindo o Telescópio Espacial James Webb e o Chandra, descobriram buracos negros massivos em fases inesperadamente iniciais da história cósmica, aumentando o interesse em mecanismos de formação capazes de gerar sementes de buracos negros massivos muito rapidamente.
Ghodla e Ili investigaram se os descendentes dessas sementes antigas poderiam persistir ao longo do tempo cósmico, crescer com as suas galáxias hospedeiras, eventualmente emparelhar-se e gerar a onda gravitacional de fundo detectada milhares de milhões de anos mais tarde.
As estrelas escuras podem semear buracos negros supermassivos?
Os pesquisadores descobriram dois caminhos possíveis para a produção de sementes de buracos negros massivos no universo primitivo: buracos negros de colapso direto e buracos negros formados através do colapso de estrelas escuras supermassivas.
Estrelas escuras são hipotéticas estrelas primordiais que derivariam a maior parte de sua energia do aquecimento associado à matéria escura, em vez de depender principalmente da fusão nuclear normal. No cenário de matéria escura WIMP considerado no estudo, estas estrelas podem permanecer relativamente frias e expandidas enquanto acumulam material. Nas condições certas, podem crescer até um milhão de vezes a massa do Sol ou mais, antes de colapsarem num buraco negro supermassivo.
Ghodla e Ili modelaram como os buracos negros originados dessas vias evoluiriam ao longo da história cósmica. Eles seguiram os halos que hospedam os buracos negros, estimaram a frequência com que os objetos se fundiriam e calcularam a onda gravitacional de fundo produzida por essas fusões.
Os seus resultados indicam que se os restos de estrelas escuras supermassivas existissem com uma densidade numérica de cerca de 10-3 mpc-3Seus descendentes podem fornecer uma porção grande e possivelmente dominante do sinal da onda gravitacional medido pelo PTA.
Parece que as populações de buracos negros com colapso direto podem ter sido muito menos comuns no estudo. com densidade específica próxima de 10-6 mpc-3Esses objetos contribuirão muito menos para o sinal observado.
Usando ondas gravitacionais para sondar o amanhecer cósmico
Uma das principais conclusões do estudo é que as medições atuais do PTA podem colocar limites sobre o quão comuns podem ter sido as sementes iniciais de buracos negros supermassivos.
“Produza muitas dessas sementes gigantes e você produzirá em excesso o sinal detectado pelo PTA. Produza muito pouco e você precisará de outras fontes para montar eficientemente esses buracos negros supermassivos mais tarde na vida do universo para corresponder às observações do PTA”, disse Ghodla.
Dentro dos modelos examinados pelos pesquisadores, a densidade de sementes fica em torno de 10.-2 para 10-1 mpc-3 O alcance começará a gerar uma onda gravitacional de fundo maior do que aquela que permite observações. A extensão exata depende em grande parte da massa do halo de matéria escura onde essas sementes se formaram originalmente.
Isto dá às observações do PTA um potencial inesperado para investigar populações extremamente antigas. Eles podem ser capazes de perturbar objetos com desvios para o vermelho superiores a 10, mesmo que as fusões dos seus descendentes que produzem ondas gravitacionais tenham ocorrido muito mais tarde na história cósmica.
Os cálculos também apoiam a descoberta anterior de que binários com massas totais de buracos negros acima de cerca de 109 A massa solar domina o sinal PTA previsto. Os sistemas binários com buracos negros menos massivos contribuem muito menos.
Ligando matéria escura, estrelas escuras e buracos negros
Estas descobertas criam uma nova ligação observacional entre várias questões-chave da cosmologia moderna, incluindo a natureza da matéria escura, a formação dos primeiros objetos luminosos, a origem dos buracos negros supermassivos e as ondas gravitacionais que viajam pelo Universo.
“As estrelas escuras foram originalmente propostas como objetos que poderiam ser observados diretamente no amanhecer cósmico”, disse Ily. “Este trabalho aponta para uma forma totalmente diferente de examinar o seu papel potencial na história cósmica. Os seus descendentes podem deixar uma marca de onda gravitacional que persiste no universo atual.”
À medida que as medições do Pulsar Timing Array se tornam mais precisas e os astrónomos melhoram a sua compreensão dos buracos negros distantes e das galáxias que os acolhem, os investigadores poderão ser capazes de distinguir mais claramente entre explicações concorrentes sobre como se formaram os primeiros buracos negros supermassivos do Universo.
