Astrônomos detectam quasares antigos e solitários com origens obscuras

 Um quasar é o núcleo extremamente brilhante de uma galáxia que hospeda um buraco negro supermassivo ativo em seu centro. À medida que o buraco negro atrai gás e poeira ao redor, ele libera uma quantidade enorme de energia, tornando os quasares alguns dos objetos mais brilhantes do universo.

Os quasares foram observados já algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, e tem sido um mistério como esses objetos podem ter se tornado tão brilhantes e massivos em tão pouco tempo cósmico. 

Esta imagem, tirada pelo Telescópio Espacial James Webb da NASA, mostra um quasar antigo (circulado em vermelho) com menos galáxias vizinhas do que o esperado (manchas brilhantes), desafiando a compreensão dos físicos sobre como os primeiros quasares e buracos negros supermassivos se formaram. Crédito: Christina Eilers/Equipe EIGER 

Cientistas propuseram que os primeiros quasares surgiram de regiões excessivamente densas de matéria primordial, o que também teria produzido muitas galáxias menores no ambiente dos quasares. Mas em um novo estudo liderado pelo MIT, astrônomos observaram alguns quasares antigos que parecem estar surpreendentemente sozinhos no universo primitivo.

Os astrônomos usaram o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA para olhar para trás no tempo, mais de 13 bilhões de anos, para estudar os arredores cósmicos de cinco quasares antigos conhecidos. Eles encontraram uma variedade surpreendente em suas vizinhanças, ou "campos de quasares". Enquanto alguns quasares residem em campos muito lotados com mais de 50 galáxias vizinhas, como todos os modelos preveem, os quasares restantes parecem flutuar em vazios, com apenas algumas galáxias perdidas em sua vizinhança.

Esses quasares solitários estão desafiando a compreensão dos físicos sobre como objetos tão luminosos puderam ter se formado tão cedo no universo, sem uma fonte significativa de matéria ao redor para alimentar o crescimento do buraco negro.

"Ao contrário da crença anterior, descobrimos que, em média, esses quasares não estão necessariamente nas regiões de maior densidade do universo primitivo. Alguns deles parecem estar no meio do nada", diz Anna-Christina Eilers, professora assistente de física no MIT. "É difícil explicar como esses quasares puderam ter crescido tanto se eles parecem não ter nada para se alimentar."

Há uma possibilidade de que esses quasares não sejam tão solitários quanto parecem, mas sim cercados por galáxias que estão fortemente envoltas em poeira e, portanto, escondidas da vista. Eilers e seus colegas esperam ajustar suas observações para tentar ver através de qualquer poeira cósmica, a fim de entender como os quasares cresceram tanto, tão rápido, no início do universo. 

Vizinhos galácticos

Os cinco quasares recentemente observados estão entre os quasares mais antigos observados até hoje. Com mais de 13 bilhões de anos, acredita-se que os objetos tenham se formado entre 600 e 700 milhões de anos após o Big Bang. Os buracos negros supermassivos que alimentam os quasares são um bilhão de vezes mais massivos que o sol e mais de um trilhão de vezes mais brilhantes. Devido à sua extrema luminosidade, a luz de cada quasar é capaz de viajar pela idade do universo, longe o suficiente para alcançar os detectores altamente sensíveis do JWST hoje.

"É simplesmente fenomenal que agora tenhamos um telescópio que pode capturar luz de 13 bilhões de anos atrás com tantos detalhes", diz Eilers. "Pela primeira vez, o JWST nos permitiu observar o ambiente desses quasares, onde eles cresceram e como era sua vizinhança."

A equipe analisou imagens dos cinco quasares antigos tiradas pelo JWST entre agosto de 2022 e junho de 2023. As observações de cada quasar compreenderam múltiplas imagens de "mosaico", ou visões parciais do campo do quasar, que a equipe efetivamente uniu para produzir uma imagem completa da vizinhança de cada quasar.

O telescópio também fez medições de luz em vários comprimentos de onda no campo de cada quasar, que a equipe então processou para determinar se um determinado objeto no campo era luz de uma galáxia vizinha e quão longe uma galáxia está do quasar central, muito mais luminoso.

"Descobrimos que a única diferença entre esses cinco quasares é que seus ambientes parecem muito diferentes", diz Eilers. "Por exemplo, um quasar tem quase 50 galáxias ao seu redor, enquanto outro tem apenas duas. E ambos os quasares estão dentro do mesmo tamanho, volume, brilho e tempo do universo. Isso foi realmente surpreendente de ver."

Surtos de crescimento

A disparidade nos campos de quasares introduz uma torção na imagem padrão do crescimento de buracos negros e formação de galáxias. De acordo com a melhor compreensão dos físicos sobre como os primeiros objetos no universo surgiram, uma teia cósmica de matéria escura deveria ter definido o curso. A matéria escura é uma forma de matéria ainda desconhecida que não tem outras interações com seus arredores além da gravidade.

Logo após o Big Bang, acredita-se que o universo primitivo tenha formado filamentos de matéria escura que agiram como uma espécie de estrada gravitacional, atraindo gás e poeira ao longo de seus tentáculos. Em regiões excessivamente densas dessa teia, a matéria teria se acumulado para formar objetos mais massivos. E os objetos primitivos mais brilhantes e massivos, como quasares, teriam se formado nas regiões de maior densidade da teia, o que também teria produzido muito mais galáxias menores.

"A teia cósmica de matéria escura é uma previsão sólida do nosso modelo cosmológico do universo, e pode ser descrita em detalhes usando simulações numéricas ", diz o coautor Elia Pizzati, um estudante de pós-graduação na Universidade de Leiden. "Ao comparar nossas observações com essas simulações, podemos determinar onde na teia cósmica os quasares estão localizados."

Os cientistas estimam que os quasares teriam que crescer continuamente com taxas de acreção muito altas para atingir a massa e a luminosidade extremas nos momentos em que os astrônomos os observaram, menos de 1 bilhão de anos após o Big Bang.

"A principal questão que estamos tentando responder é: como esses buracos negros de bilhões de massas solares se formam em um momento em que o universo ainda é muito, muito jovem? Ele ainda está em sua infância", diz Eilers.

As descobertas da equipe podem levantar mais perguntas do que respostas. Os quasares "solitários" parecem viver em regiões relativamente vazias do espaço. Se os modelos cosmológicos dos físicos estiverem corretos, essas regiões estéreis significam muito pouca matéria escura, ou material inicial para a fermentação de estrelas e galáxias . Como, então, os quasares extremamente brilhantes e massivos surgiram?

"Nossos resultados mostram que ainda falta uma peça significativa do quebra-cabeça de como esses buracos negros supermassivos crescem", diz Eilers. "Se não há material suficiente ao redor para que alguns quasares sejam capazes de crescer continuamente, isso significa que deve haver alguma outra maneira de eles crescerem, que ainda precisamos descobrir."

Fonte: phys.org