Buracos negros: não destruidores, mas protetores

O conceito de um artista mostra jatos dipolares de gás emanando de um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia. Crédito da imagem: ESA/Hubble, L. Calçada (ESO)

Um estudo revelou que as galáxias têm um mecanismo regulador semelhante ao coração e aos pulmões, que controla o seu crescimento limitando a absorção de gases.

Este mecanismo, que envolve enorme massa Buraco negro As suas emissões de jacto evitam que as galáxias se expandam demasiado rapidamente, garantindo a sua longevidade e evitando que envelheçam prematuramente e se transformem em galáxias “zumbis”.

Um novo estudo sugere que as galáxias evitam a morte prematura porque têm um “coração e pulmões” que regulam eficazmente a sua “respiração” e evitam que cresçam descontroladamente.

Se isso não tivesse acontecido, o universo teria envelhecido muito mais rápido, e tudo o que veríamos hoje seriam enormes galáxias “zumbis” repletas de estrelas mortas e moribundas.

Isto está de acordo com um novo estudo publicado em Avisos mensais da Royal Astronomical Society, Que examina um dos maiores mistérios do universo – por que as galáxias não são tão grandes quanto os astrônomos esperam.

Algo parece estar a sufocar o seu enorme potencial, limitando a quantidade de gás que absorve para se transformar em estrelas, o que significa que, em vez de crescer infinitamente, algo no seu interior está a resistir ao que se pensava ser a força inevitável da gravidade.

Este clipe mostra um jato hipersônico gerando um “movimento semelhante ao de um fole”, ao receber impulsos do “núcleo” do buraco negro, fazendo com que ele se expanda e contraia “como um pulmão cheio de ar” e “expelindo ar quente” ( ondulações de pressão) em seu entorno. Os eixos do gráfico são medidas de distância adimensionais. Direitos autorais: C Richards/MD Smith/Universidade de Kent

Uma analogia do coração e dos pulmões nas galáxias

Agora, os astrofísicos da Universidade de Kent pensam que podem ter descoberto o segredo. Eles sugerem que as galáxias podem controlar a sua taxa de crescimento pela forma como “respiram”.

Na sua analogia, os investigadores compararam o buraco negro supermassivo no centro da galáxia com o seu coração e os dois jactos dipolares supersónicos de gás e radiação que emitem nas vias respiratórias que alimentam os pulmões.

Os pulsos do buraco negro – ou “núcleo” – podem desencadear frentes de choque de jato que oscilam para frente e para trás ao longo dos dois eixos dos jatos, assim como o diafragma torácico do corpo humano se move para cima e para baixo dentro da cavidade torácica para inflar e desinflar ambos. pulmões.

Isto poderia fazer com que a energia do jato fosse amplamente transferida para o meio circundante, tal como respiramos ar quente, retardando a acumulação e crescimento de gás da galáxia.

Dois exemplos diferentes simulando um lado de jatos dipolo simétricos, onde ondulações de pressão se propagam através do meio extragaláctico. Aqui as variações de pressão são mostradas usando uma escala de temperatura de cor vermelha (escuro = baixa pressão, claro = alta pressão). Cada jato entra pela esquerda com uma pressão que cai rapidamente à medida que é empurrado contra o meio circundante. Eixos são medidas de distância não dimensionais. Direitos autorais: C Richards/MD Smith/Universidade de Kent

Insights de simulação e dinâmica galáctica

O estudante de doutoramento Carl Richards surgiu com esta teoria depois de criar uma simulação nova e nunca antes tentada para investigar o papel que os jatos supersónicos podem desempenhar no amortecimento do crescimento das galáxias.

Isso incluiu permitir que o “coração” do buraco negro batesse e fazer os jatos sob alta pressão – exatamente como uma forma de pressão alta, se compararmos com o corpo humano.

Isso fez com que os jatos se tornassem “como um fole”, enviando ondas sonoras “como ondulações na superfície de um lago”, disse ele.

Este fenômeno é semelhante ao equivalente terrestre às ondas sonoras e de choque produzidas quando uma garrafa de champanhe é aberta, um carro range, o escapamento de um foguete ou a perfuração de recipientes pressurizados.

Ondas sonoras (ondulações) aparecem no gás quente que preenche o aglomerado de Perseu nesta impressão artística. Pensa-se que tenham surgido de cavidades ejetadas por jatos de um buraco negro supermassivo (mancha branca brilhante) no centro da galáxia. Direitos autorais: NASA/NASA/XC/M. Weiss

“Percebemos que deve haver alguma forma de os jatos apoiarem o objeto – o gás que rodeia a galáxia – e foi isso que descobrimos nas nossas simulações computacionais,” disse Richards.

“O comportamento inesperado foi revelado quando analisamos simulações computacionais de pressão alta e de batimento cardíaco.

“Isso enviou um fluxo de pulsos para os jatos de alta pressão, fazendo com que eles mudassem de forma como resultado da ação semelhante a um fole das frentes oscilantes de choque do jato.”

Na verdade, esses jatos de hiperpressão se expandiram “como pulmões cheios de ar”, disseram os pesquisadores.

Ao fazer isso, eles transmitiram ondas sonoras para a galáxia circundante na forma de uma série de ondulações de pressão, que demonstraram suprimir o crescimento da galáxia.

Conclusão e perspectivas futuras

Há algumas evidências de ondulações na mídia extragaláctica, como aquelas observadas no aglomerado de galáxias próximo de Perseu, associadas a enormes bolhas de gás quente, que se acredita serem exemplos de ondas sonoras.

Já se pensava que essas ondulações eram responsáveis ​​pela manutenção do ambiente ao redor da galáxia, embora não houvesse mecanismo para gerá-las.

Consequentemente, as simulações cosmológicas convencionais são incapazes de explicar os fluxos de gás nas galáxias, levando a um dos maiores mistérios do universo, pelo que dependem do buraco negro altamente activo no núcleo galáctico para fornecer alguma resistência.

O professor Michael Smith, que participou do estudo, disse: “Fazer isso não é fácil e temos limitações quanto ao tipo de pulso, ao tamanho do buraco negro e à qualidade dos pulmões”.

“Respirar muito rápido ou muito devagar não fornecerá as vibrações vitais necessárias para manter o centro galáctico e, ao mesmo tempo, manter o núcleo abastecido.”

Os investigadores concluíram que a vida útil da galáxia poderia ser prolongada com a ajuda do seu “coração e pulmões”, já que o motor do buraco negro supermassivo no seu núcleo ajuda a inibir o crescimento, limitando a quantidade de gás que colapsa nas estrelas desde uma fase inicial.

Dizem que isto ajudou a criar as galáxias que vemos hoje.

Sem tal mecanismo, as galáxias já teriam esgotado seu combustível e desaparecido, como algumas fazem como galáxias “mortas vermelhas” ou “zumbis”.

Referência: “Simulando jatos de sobrepressão pulsados: formação de foles e ondulações em ambientes galácticos” por Carl Richards e Michael D. Smith, 12 de julho de 2024, Avisos mensais da Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stae1498