Colisões de estrelas explicam buracos negros e pontos vermelhos

Novas simulações do universo primitivo apontam que colisões entre estrelas eram eventos frequentes nos primórdios do cosmos, um fenômeno que pode solucionar dois grandes enigmas da astrofísica moderna: a rápida expansão dos buracos negros supermassivos e a existência dos misteriosos “Little Red Dots” (Pontos Vermelhos Pequenos) capturados pelo Telescópio Espacial James Webb (JWST).

O grupo de cientistas por trás do estudo constatou que os sistemas estelares antigos eram extremamente compactos, resultando em choques estelares constantes. Enquanto impactos em alta velocidade destruíam os corpos celestes, batidas mais lentas provocavam fusões sucessivas, gerando astros solitários gigantescos. Ao fim de seus ciclos de vida, essas estruturas massivas entravam em colapso, originando buracos negros maiores do que o habitual, que funcionariam como as sementes dos primeiros buracos negros supermassivos.

Ambientes estelares densos ainda persistem no centro de galáxias modernas, mas não favorecem o nascimento de estrelas ultramassivas. Isso ocorre porque os buracos negros já presentes nesses locais aceleram a órbita das estrelas ao seu redor com sua imensa gravidade, tornando qualquer colisão violeta e destrutiva demais para gerar um corpo overmassivo.

“Perhaps the strangest outcome of our simulations is that stars can merge repeatedly within the cluster until they form one gigantic star with a mass equal to that of an entire cluster,” afirmou a coautora da pesquisa Claire Williams, da Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA), em um comunicado. “When a star this huge reaches the end of its life, models suggest that it may have no option but to collapse into itself and form a massive black hole.”

O mistério da rápida formação cósmica A presença de buracos negros supermassivos antes mesmo de o universo completar 1 bilhão de anos intriga astrônomos desde que o JWST passou a detectá-los em 2022. Teoricamente, esses corpos exigiriam pelo menos 1 bilhão de anos de processos de alimentação e fusão para acumular milhões ou bilhões de massas solares.

Uma hipótese levantada é que eles não partem do zero, mas se formam a partir de sementes conhecidas como buracos negros de massa intermediária. Em condições normais de colapso, uma estrela massiva gera um buraco negro de massa estelar, equivalente a 10 e 100 vezes a massa solar — patamar muito inferior aos gigantes que dominam os núcleos galácticos. Os buracos negros de massa intermediária ficariam no meio termo, entre 100 e 100.000 vezes a massa do Sol, embora nenhuma estrela isolada possua matéria suficiente para originá-los no universo atual, que tem 13,8 bilhões de anos.

Contudo, as simulações demonstram que tais sementes surgiram naturalmente em aglomerados estelares densos do universo jovem, solucionando o dilema do crescimento acelerado. “Dense star clusters provide a natural birthplace for massive black-hole seeds in our model,” explicou Williams. “The same environment that forms the black hole can also provide stars and gas that influence its subsequent growth.”

O enigma dos Little Red Dots Além disso, o estudo oferece respostas sobre os “Little Red Dots”, corpos ultracompactos avistados pelo JWST no universo primitivo que parecem ter desaparecido por completo quando o cosmos atingiu 2 bilhões de anos.

“Little Red Dots are a hot topic in astronomy. You can compare studies of people trying to understand Little Red Dots to the tale of blind people who are trying to describe an elephant by touching it, and each person describes it differently based on what part they’re touching,” pontuou a pesquisadora Smadar Naoz, também da UCLA. “Our research connects several of those perspectives together and may help us see more of the elephant.”

Enquanto teorias divergem sobre a natureza desses objetos, a nova pesquisa aponta que eles podem ser aglomerados densos agitados por colisões estelares contínuas, culminando em uma estrela massiva cujo colapso gera um buraco negro de massa intermediária.

Menos de 1 bilhão de anos após o Big Bang, o universo carecia de galáxias espirais ordenadas e exibia aglomerados caóticos de formação estelar. Conforme o cosmos se expandiu e esfriou, essas regiões caóticas evoluíram para galáxias mais estáveis. Assim, o avanço do universo em direção ao equilíbrio explica o sumiço repentino dos Little Red Dots, já que o ambiente atual perdeu o extremo necessário para sustentá-los.

O artigo completo com as descobertas da equipe foi publicado na revista Astrophysical Journal.