Buraco negro de colapso direto - Direct collapse black hole

Impressão artística para a formação de uma semente de buraco negro massivo através do canal direto do buraco negro.

Os buracos negros em colapso direto são sementes de buracos negros de grande massa, supostamente formadas dentro da faixa do redshift , quando o Universo tinha cerca de 100-250 milhões de anos. Ao contrário das sementes formadas a partir da primeira população de estrelas (também conhecidas como estrelas de População III ), as sementes de buraco negro de colapso direto são formadas por uma instabilidade relativística geral direta . Eles são muito massivos, com uma massa típica na formação de ~ 10 ⁵ M _☉ . Esta categoria de sementes de buracos negros foi originalmente proposta teoricamente para aliviar o desafio de construir buracos negros supermassivos já no redshift , como inúmeras observações até agora confirmaram. ${\ displaystyle 15 <z <30}$ ${\ displaystyle z \ sim 7}$

Formação

Buracos negros de colapso direto (DCBHs) são sementes de buracos negros maciços que teoricamente se formaram no Universo de alto redshift e com massas típicas na formação de ~ 10 ⁵  M _☉ , mas medindo entre 10 ⁴  M _☉ e 10 ⁶  M _☉ . As condições físicas ambientais para formar um DCBH (em oposição a um aglomerado de estrelas ) são as seguintes:

1. Gás isento de metal (gás contendo apenas hidrogênio e hélio ).
2. Gás de resfriamento atômico.
3. Fluxo suficientemente grande de fótons de Lyman-Werner para destruir as moléculas de hidrogênio, que são refrigerantes gasosos muito eficientes.

As condições anteriores são necessárias para evitar o resfriamento do gás e, portanto, a fragmentação da nuvem de gás primordial. Incapaz de se fragmentar e formar estrelas, a nuvem de gás sofre um colapso gravitacional de toda a estrutura, atingindo valores extremamente elevados de densidade de matéria no núcleo, da ordem de . Nessa densidade, o objeto sofre uma instabilidade relativística geral, que leva à formação de um buraco negro de massa típica ~ 10 ⁵ M _☉ , e até 1 milhão de massas solares . A ocorrência da instabilidade relativística geral, bem como a ausência da fase estelar intermediária, levou à denominação de buraco negro de colapso direto . Em outras palavras, esses objetos entram em colapso diretamente da nuvem de gás primordial, não de um progenitor estelar como prescrito nos modelos de buracos negros padrão. ${\ displaystyle \ sim 10 ^ {7} g / cm ^ {3}}$ 

Demografia

Os buracos negros em colapso direto são geralmente considerados objetos extremamente raros no Universo de alto redshift, porque as três condições fundamentais para sua formação (veja acima na seção Formação) são desafiadoras de serem encontradas todas juntas na mesma nuvem de gás. As simulações cosmológicas atuais sugerem que DCBHs podem ser tão raros quanto apenas ~ 1 por Giga- parsec cúbico no redshift 15. A previsão de sua densidade numérica é altamente dependente do fluxo mínimo de fótons de Lyman-Werner necessários para sua formação e pode ser tão grande como DCBHs por Giga-parsec cúbico nos cenários mais otimistas. ${\ displaystyle \ sim 10 ^ {7}}$

Detecção

Em 2016, uma equipe liderada pelo astrofísico da Universidade de Harvard Fabio Pacucci identificou os dois primeiros candidatos a buracos negros em colapso direto, usando dados do Telescópio Espacial Hubble e do Observatório de Raios-X Chandra . Os dois candidatos, ambos em redshift , foram encontrados no campo CANDELS GOODS-S e combinaram com as propriedades espectrais previstas para este tipo de fontes astrofísicas. Em particular, prevê-se que essas fontes tenham um excesso significativo de radiação infravermelha , quando comparadas a outras categorias de fontes em alto redshift. Observações adicionais, em particular com o próximo telescópio espacial James Webb , serão cruciais para investigar as propriedades dessas fontes e confirmar sua natureza. ${\ displaystyle z> 6}$

Referências