Pergunte a Ethan No. 15: Os Maiores Buracos Negros do Universo
Ao descermos para o abismo, aprendemos os tesouros da vida. Onde você tropeça lá, encontrará sua jóia.
- Joseph Campbell
O leitor pergunta:Observando quasares distantes, vemos seus buracos negros supermassivos pesando 10 9 solares. Como eles conseguem atingir esse tamanho em tão pouco tempo?
Esse problema é mais complicado do que parece à primeira vista. Você precisa começar com a astrofísica.
Você já deve saber que estrelas vêm em diferentes tamanhos e cores, com diferentes vidas e massas, e que todas essas propriedades estão relacionadas umas às outras. Quanto maior a estrela, maior o seu núcleo, no qual, de acordo com os princípios da fusão nuclear, seu combustível queima. Isso significa que estrelas mais massivas queimam mais intensamente, em temperaturas mais altas, têm um raio maior e também queimam mais rápido.
Se uma estrela, como o nosso Sol, pode levar mais de dez bilhões de anos para queimar todo o seu combustível no núcleo, então as estrelas podem ser dezenas ou até centenas de vezes mais massivas que o nosso Sol e, em vez de bilhões de anos, elas podem sintetizar todo o hidrogênio no núcleo em hélio. vários milhões e, em alguns casos, até centenas de milhares de anos.
O que acontece com o núcleo quando ele queima seu combustível? Deve-se notar que a energia liberada durante essas reações é a única coisa que mantém o núcleo contra a enorme força gravitacional, que trabalha constantemente para comprimir toda a matéria da estrela no menor volume possível. Quando essas reações de fusão param, o núcleo encolhe rapidamente. A velocidade da compressão é importante porque se você comprime a matéria lentamente, a temperatura permanece constante, mas aumenta a entropia; e se você compactá-lo rapidamente, a entropia será constante e a temperatura aumentará.
No caso de estrelas massivas, um aumento de temperatura significa que a estrela pode começar a sintetizar cada vez mais elementos pesados, começando pelo hélio, passando pelo carbono, nitrogênio, oxigênio, néon, magnésio, silício, enxofre e, finalmente, aproximando-se do ferro, níquel e cobalto. Observe que esses elementos se formam com um aumento no número nuclear em 2, devido ao fato de o hélio combinar com os elementos existentes. E quando você chega ao ferro, níquel e cobalto, os elementos mais estáveis, torna-se impossível uma síntese adicional e o núcleo explode para fora, transformando-se em uma supernova do tipo 2.Se isso não acontecer em uma estrela muito massiva, você obterá o núcleo de uma estrela de nêutrons. E se você pegar uma estrela mais massiva, com um núcleo mais pesado, ela não suportará a gravidade e criará um buraco negro dentro de si. Uma estrela de 15 a 20 vezes o tamanho do Sol provavelmente criará um buraco negro no centro após sua morte. E estrelas mais massivas criarão buracos negros mais massivos. Pode-se imaginar um grande número de estrelas bastante massivas, das quais nascem buracos negros que estão em um espaço limitado. E então esses buracos negros se combinam com o tempo, ou ambos se combinam, e devoram matéria estelar e interestelar, o que, de acordo com nossas observações, também acontece.
Infelizmente, isso não acontece tão rápido que coincide com nossas observações. Veja bem, se uma estrela se tornar massiva demais, um buraco negro não aparecerá dentro dela! Se observarmos estrelas com uma massa de 130 solar, então o interior das estrelas fica tão quente e elas contêm tanta energia que as partículas de alta energia que aparecem lá podem formar pares matéria-antimatéria na forma de pósitrons e elétrons. À primeira vista, isso não é grande coisa, mas lembre-se do que acontece nos núcleos dessas estrelas: tudo o que as impede de entrar em colapso é a pressão exercida por dentro por um estudo de fusão nuclear. E quando pares de elétrons e pósitrons começam a aparecer, eles são excluídos da radiação presente, o que leva a uma diminuição da pressão no núcleo por dentro.Essas coisas já começam com estrelas pesando 100 solares, mas se você atingir uma massa de 130 solares, a pressão diminui tanto que as estrelas começam a entrar em colapso - e muito rapidamente!
O núcleo esquenta e contém um grande número de pósitrons, que se aniquilam com a matéria comum e produzem radiação gama, que aquece ainda mais o núcleo. No final, você obtém algo tão enérgico que rasga toda a estrela em pedaços de uma maneira muito brilhante e bonita. Acontece uma supernova de pares instáveis. Isso não apenas destrói as camadas externas da estrela, mas também o próprio núcleo, e após essa explosão não resta absolutamente nada!Mesmo sem levar em conta os buracos negros suficientemente grandes que se formaram rapidamente em nosso Universo, ainda podemos obter buracos negros supermassivos - como o do centro de nossa galáxia. De acordo com as órbitas das estrelas que orbitam em torno dele, sua massa é de vários milhões de massas solares.
Mas dessa maneira é impossível obter buracos negros pesando bilhões de massas solares, como o localizado na galáxia distante Messier 87.
O que o leitor está perguntando são os buracos negros supermassivos que pesam cerca de bilhões de massas solares. E eles aparecem com um grande desvio para o vermelho, o que sugere que há muito tempo são muito grandes.Você pode pensar que desde o início já existiam buracos negros tão grandes no Universo, mas isso não corresponde ao que sabemos sobre o jovem universo, pelo poder espectral da matéria e pela radiação cósmica de fundo. Não importa de onde venham esses buracos negros supermassivos, é improvável que eles estejam aqui desde o início - mas agora eles podem ser encontrados até em galáxias muito jovens!
Então, se estrelas comuns não podem produzir esses buracos negros e o Universo não nasceu com eles, então de onde eles vieram?Acontece que as estrelas podem ser ainda mais massivas do que aquelas sobre as quais já conversamos. E quando atingem grandes massas, uma nova esperança aparece. Vamos voltar às primeiras estrelas que se formaram no Universo a partir de hidrogênio e hélio pré-históricos - os gases que existiam na época, apenas alguns milhões de anos após o Big Bang.
Há muitas evidências indicando que naquela época as estrelas se formaram em grandes regiões - não como os aglomerados de estrelas de hoje em nossa galáxia, contendo várias centenas ou milhares de estrelas. Então grandes aglomerados continham milhões ou mais estrelas. Se observarmos a maior e mais próxima região de formação estelar da Nebulosa Tarântula, localizada na Grande Nuvem de Magalhães, podemos entender o que está acontecendo.
Esta região do espaço tem 1000 anos-luz de diâmetro. No centro há uma área enorme onde novas estrelas são formadas - R136. Ele contém novas estrelas, cuja massa total é de cerca de 450.000 massas solares. Este complexo está ativo, novas estrelas massivas se formam lá. E no centro da região central, você pode descobrir algo verdadeiramente único: a mais massiva de todas as estrelas conhecidas no universo!
A maior estrela da região é 265 vezes mais pesada que o sol, e esse é um fenômeno muito notável. Lembre-se de que falei sobre pares instáveis de supernovas e como eles destroem estrelas mais pesadas que 130 massas solares e não deixam buracos negros para trás. Esta fórmula funciona até um certo momento - apenas para estrelas cuja massa é superior a 130 solar, mas inferior a 250 solar. E se a massa aumentar ainda mais, receberemos radiação gama de tal força que uma reação fotonuclear ocorrerá - quando os raios gama resfriarem o interior da estrela, derrubando núcleos pesados e transformando-os em luz.
Se uma estrela tem uma massa de mais de 250 massas solares, ela entrará em colapso completamente em um buraco negro. Uma estrela com uma massa de 260 massas solares pode criar um buraco negro com uma massa de 260 solares. Uma estrela de 1000 massas solares criará um buraco negro com uma massa de 1000 massas solares. E como podemos fazer estrelas com enormes massas em nosso canto isolado do cosmos, podemos criar esses objetos em uma época em que o Universo era jovem. E provavelmente criamos um número bastante grande desses objetos - e ainda assim eles serão combinados.E se é possível criar uma área onde um buraco negro maciço de vários milhares de massas solares foi formado apenas alguns milhões ou dezenas de milhões de anos após o Big Bang, a rápida unificação e acréscimo dessas regiões onde as estrelas se formam sugere que esses primeiros grandes buracos negros se uniriam exclusivamente. Depois de pouco tempo, formariam buracos negros cada vez maiores nos centros dessas regiões, que depois se transformaram nas primeiras galáxias gigantes do Universo.
Esse crescimento, continuando no tempo, pode facilmente nos levar a estimativas modestas de buracos negros pesando várias centenas de milhões de sóis, que uma galáxia do tamanho da Via Láctea pode gerar. É fácil imaginar que galáxias mais massivas e efeitos não-lineares podem aumentar as massas prováveis de buracos negros para bilhões de massas solares sem problemas. E embora não tenhamos certeza, mas até onde podemos julgar pelo conhecimento que temos, é assim que os buracos negros supermassivos aparecem.Source: https://habr.com/ru/post/pt381865/
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