Novo estudo propõe a expansão do universo e impacta diretamente no crescimento do buraco negro

A primeira imagem renderizada de um buraco negro, iluminado por matéria em queda. Neste estudo, os pesquisadores propuseram um modelo em que esses objetos podem ganhar massa sem a adição de matéria: eles podem se acoplar cosmologicamente ao crescimento do próprio universo. Crédito da imagem: Jean-Pierre Luminet, “Image of a Spherical Black Hole with Thin Accretion Disk,” Astronomy and Astrophysics 75 (1979): 228–35.

Nos últimos 6 anos, observatórios de ondas gravitacionais têm detectado fusões de buracos negros, verificando uma grande previsão da teoria da gravidade de Albert Einstein. Mas há um problema – muitos desses buracos negros são inesperadamente grandes. Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade do Havaí em Mānoa, da Universidade de Chicago e da Universidade de Michigan em Ann Arbor propôs uma nova solução para esse problema: os buracos negros crescem junto com a expansão do universo.

Desde a primeira observação de buracos negros em fusão pelo Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) em 2015, os astrônomos têm sido repetidamente surpreendidos por suas grandes massas. Embora não emitam luz, as fusões dos buracos negros são observadas por meio da emissão de ondas gravitacionais – ondulações na estrutura do espaço-tempo que foram previstas pela teoria da relatividade geral de Einstein. Os físicos inicialmente esperavam que os buracos negros tivessem massas inferiores a cerca de 40 vezes a do Sol, porque os buracos negros em fusão surgem de estrelas massivas, que não podem se manter unidas se ficarem muito grandes.

Os observatórios do LIGO e de Virgem, entretanto, encontraram muitos buracos negros com massas maiores do que a de 50 sóis, com alguns tão massivos quanto 100 sóis. Numerosos cenários de formação foram propostos para produzir tais buracos negros grandes, mas nenhum cenário único foi capaz de explicar a diversidade de fusões de buracos negros observadas até agora, e não há acordo sobre qual combinação de cenários de formação é fisicamente viável. Este novo estudo, publicado no Astrophysical Journal Letters, é o primeiro a mostrar que grandes e pequenas massas de buracos negros podem resultar de um único caminho, em que os buracos negros ganham massa com a expansão do próprio universo.

Os astrônomos normalmente modelam buracos negros dentro de um universo que não pode se expandir. “É uma suposição que simplifica as equações de Einstein porque um universo que não cresce tem muito menos para controlar”, disse Kevin Croker, professor do Departamento de Física e Astronomia da Universidade de Manao. “Porém, há uma compensação: as previsões podem ser razoáveis ​​apenas por um período limitado de tempo.”

Como os eventos individuais detectáveis ​​por LIGO – Virgem duram apenas alguns segundos, ao analisar qualquer evento único, essa simplificação é sensata. Mas essas mesmas fusões estão potencialmente ocorrendo há bilhões de anos. Durante o tempo entre a formação de um par de buracos negros e sua eventual fusão, o universo cresce profundamente. Se os aspectos mais sutis da teoria de Einstein forem considerados cuidadosamente, surge uma possibilidade surpreendente: as massas de buracos negros podem crescer em sincronia com o universo, um fenômeno que Croker e sua equipe chamam de acoplamento cosmológico.

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