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A maioria dos quasares distantes descobertos lança luz sobre como os buracos negros crescem
Uma equipe de astrônomos liderados pela Universidade do Arizona observou um quasar luminoso a 13,03 bilhões de anos-luz da Terra - o quasar mais distante descoberto até hoje.
Por Universidade do Arizona - 13/01/2021


Uma equipe internacional de astrônomos descobriu o quasar mais distante do Universo, totalmente formado por volta de 670 milhões de anos após o Big Bang. Crédito: NOIRLab / NSF / AURA / J. da silva

Uma equipe de astrônomos liderados pela Universidade do Arizona observou um quasar luminoso a 13,03 bilhões de anos-luz da Terra - o quasar mais distante descoberto até hoje. Datado de 670 milhões de anos após o Big Bang, quando o universo tinha apenas 5% de sua idade atual, o quasar hospeda um buraco negro supermassivo equivalente à massa combinada de 1,6 bilhão de sóis.

Além de ser o mais distante - e, por extensão, o mais antigo - quasar conhecido, o objeto é o primeiro de seu tipo a mostrar evidências de um vento de saída de gás superaquecido escapando dos arredores do buraco negro a um quinto do velocidade da luz. Além de revelar um forte vento impulsionado por quasar, as novas observações também mostram intensa atividade de formação de estrelas na galáxia hospedeira onde o quasar, formalmente designado J0313-1806, está localizado.

Os pesquisadores apresentarão suas descobertas, que foram aceitas para publicação no Astrophysical Journal Letters , durante uma coletiva de imprensa e uma palestra científica no 237º Encontro da Sociedade Astronômica Americana, que acontecerá virtualmente de 11 a 15 de janeiro.

O detentor do recorde anterior entre os quasares no universo infantil foi descoberto há três anos. A equipe do UArizona também contribuiu para essa descoberta. Pensa-se que os quasares resultam de buracos negros supermassivos devorando matéria circundante, como gás ou mesmo estrelas inteiras, resultando em um turbilhão de matéria superaquecida conhecido como um disco de acreção que gira em torno do buraco negro. Por causa das enormes energias envolvidas, os quasares estão entre as fontes mais brilhantes do cosmos, muitas vezes ofuscando suas galáxias hospedeiras.

Embora J0313-1806 esteja apenas 20 milhões de anos-luz mais distante do que o detentor do recorde anterior, o novo quasar contém um buraco negro supermassivo duas vezes mais pesado. Isso marca um avanço significativo para a cosmologia, pois fornece a restrição mais forte para a formação de buracos negros no início do universo.

"Esta é a primeira evidência de como um buraco negro supermassivo está afetando sua galáxia hospedeira ao seu redor", disse o principal autor do artigo Feige Wang, um membro do Hubble do Observatório Steward do UArizona. "Por observações de galáxias menos distantes, sabemos que isso tem que acontecer, mas nunca vimos acontecer tão cedo no universo."

Os quasares que já acumulavam milhões, senão bilhões, de massas solares em seus buracos negros em uma época em que o universo era muito jovem representam um desafio para os cientistas que tentam explicar como eles surgiram quando mal tinham tempo para fazê-lo. Uma explicação comumente aceita sobre a formação de buracos negros envolve uma estrela explodindo como uma supernova no final de sua vida e colapsando em um buraco negro. Quando esses buracos negros se fundem com o tempo, eles podem - teoricamente - se transformar em buracos negros supermassivos. No entanto, da mesma forma que seriam necessárias muitas vidas para construir um fundo de aposentadoria com um dólar cada ano, os quasares no início do universo são um pouco como pequenos milionários; eles devem ter adquirido sua massa por outros meios.
 
O quasar recém-descoberto fornece uma nova referência ao descartar dois modelos atuais de como buracos negros supermassivos se formam em escalas de tempo tão curtas. No primeiro modelo, estrelas massivas que consistem em grande parte de hidrogênio e carecem da maioria dos outros elementos que compõem estrelas posteriores, incluindo metais, formam a primeira geração de estrelas em uma galáxia jovem e fornecem o alimento para o buraco negro nascente. O segundo modelo envolve densos aglomerados de estrelas, que colapsam em um enorme buraco negro desde o início.

Uma equipe internacional de astrônomos descobriu o quasar mais distante do Universo,
totalmente formado por volta de 670 milhões de anos após o Big Bang.
Crédito: NOIRLab / NSF / AURA / J. da silva

O Quasar J0313-1806, no entanto, possui um buraco negro muito grande para ser explicado pelos cenários mencionados, de acordo com a equipe que o descobriu. A equipe calculou que, se o buraco negro em seu centro se formou 100 milhões de anos após o Big Bang e cresceu o mais rápido possível, ele ainda teria que ter pelo menos 10.000 massas solares para começar.

"Isso diz a você que não importa o que você faça, a semente deste buraco negro deve ter se formado por um mecanismo diferente", disse o co-autor Xiaohui Fan, Professor Regentes e chefe associado do Departamento de Astronomia do UArizona. "Neste caso, um que envolve grandes quantidades de gás hidrogênio frio primordial colapsando diretamente em um buraco negro de semente."

Como esse mecanismo não requer estrelas de pleno direito como matéria-prima, é o único que permitiria que o buraco negro supermassivo do quasar J0313-1806 crescesse até 1,6 bilhão de massas solares em um período tão inicial no universo. Isso é o que torna o novo quasar recorde tão valioso, explicou Fan.

"Uma vez que você vá para redshifts mais baixos, todos os modelos podem explicar a existência desses quasares menos distantes e menos massivos", disse ele. "Para que o buraco negro tivesse crescido até o tamanho que vemos com J0313-1806, ele teria que ter começado com um buraco negro semente de pelo menos 10.000 massas solares, e isso só seria possível no cenário de colapso direto . "

O quasar recém-descoberto parece oferecer um raro vislumbre da vida de uma galáxia no início do universo, quando muitos dos processos de formação de galáxias que desde então diminuíram ou cessaram em galáxias que existem há muito mais tempo ainda estavam em pleno andamento .

De acordo com os modelos atuais de evolução de galáxias, buracos negros supermassivos crescendo em seus centros podem ser a principal razão pela qual as galáxias param de fazer novas estrelas. Agindo como um maçarico de proporções cósmicas, os quasares explodem em seus arredores ferozmente, efetivamente limpando sua galáxia hospedeira de grande parte do gás frio que serve como matéria-prima a partir da qual as estrelas se formam.

"Achamos que esses buracos negros supermassivos foram a razão pela qual muitas das grandes galáxias pararam de formar estrelas em algum ponto", disse Fan. "Observamos este 'apagamento' em redshifts mais baixos, mas até agora, não sabíamos quão cedo este processo começou na história do universo. Este quasar é a evidência mais antiga de que o apagamento pode ter acontecido em tempos muito antigos."

Ao medir a luminosidade do quasar, a equipe de Wang calculou que o buraco negro supermassivo em seu centro está ingerindo a massa equivalente a 25 sóis a cada ano, em média, o que se acredita ser a principal razão para o vento de plasma quente de alta velocidade soprando no galáxia ao seu redor em velocidade relativística. Para efeito de comparação, o buraco negro no centro da Via Láctea está quase todo adormecido.

E enquanto a Via Láctea forma estrelas no ritmo vagaroso de cerca de uma massa solar a cada ano, J0313-1806 produz 200 massas solares no mesmo período.

"Esta é uma taxa de formação de estrelas relativamente alta, semelhante à observada em outros quasares de idade semelhante, e nos diz que a galáxia hospedeira está crescendo muito rápido", disse Wang.

"Esses quasares provavelmente ainda estão em processo de construção de seus buracos negros supermassivos", acrescentou Fan. "Com o tempo, o fluxo de saída do quasar aquece e empurra todo o gás para fora da galáxia, e então o buraco negro não tem mais nada para comer e vai parar de crescer. Esta é uma evidência de como essas primeiras galáxias massivas e seus quasares crescem."

Os pesquisadores esperam encontrar mais alguns quasares do mesmo período, incluindo possíveis novos recordes, disse Jinyi Yang, a segunda autora do relatório, que é Peter A. Strittmatter Fellow do Observatório Steward. Yang e Fan estavam observando no telescópio Magellan Baade de 6,5 metros no Observatório Las Campanas, no Chile, na noite em que J0313-1806 foi descoberto.

"Nosso levantamento de quasares cobre um campo muito amplo, permitindo-nos escanear quase metade do céu", disse Yang. "Selecionamos mais candidatos sobre os quais acompanharemos com observações mais detalhadas."

Os pesquisadores esperam descobrir mais sobre os segredos do quasar com observações futuras, especialmente com o telescópio espacial James Webb da NASA, com lançamento previsto para 2021.

"Com telescópios terrestres, só podemos ver uma fonte pontual", disse Wang. "Observações futuras poderiam tornar possível resolver o quasar com mais detalhes, mostrar a estrutura de seu fluxo de saída e até onde o vento se estende em sua galáxia, e isso nos daria uma ideia muito melhor de seu estágio evolutivo."

 

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