Quasares que misteriosamente desaparecem assombram astrônomos

O disco de acreção quente girando em um buraco negro supermassivo se estende por trilhões de quilômetros. Como poderia de repente desligar?

Astrônomos estão intrigados com objetos aparentemente impossíveis agora chamados de “quasares que mudam de aparência. Nos últimos anos, diversos deles foram observados no céu, e não temos uma boa hipótese para explicá-los ainda.

A surpresa

O primeiro destes fenômenos foi descoberto pela astrônoma Stephanie LaMassa, que comparou duas imagens feitas do mesmo objeto tiradas com dez anos de diferença – e elas não pareciam nada iguais.  A primeira, capturada em 2000 com o Sloan Digital Sky Survey, assemelhava-se a um quasar clássico: um objeto extremamente brilhante e distante, alimentado por um buraco negro supermassivo voraz no centro de uma galáxia. Era azul, com amplos picos de luz. A segunda imagem, feita em 2010, tinha um décimo de seu brilho anterior e não exibia os mesmos picos. Em outras palavras, o quasar parecia ter desaparecido, deixando apenas a galáxia de fundo.

Isso deveria ser impossível. Embora os quasares façam transições para meras galáxias, o processo deve levar 10.000 anos ou mais. Assombrados, os cientistas queriam saber se mudanças tão dramáticas eram comuns ou não.

Descobrir isso não foi uma tarefa simples, no entanto, dado que as pesquisas tendem a não voltar seu olhar para os mesmos objetos que já observaram anteriormente. Ainda assim, uma equipe conseguiu analisar dados arquivados e descobriu de 50 a 100 destes “quasares que mudam de aparência”.

Alguns fizeram a transição ainda mais rápido que o primeiro exemplo observado por LaMassa: no espaço de um mês ou dois. Outros, depois de desaparecerem, reapareceram novamente.

Um quasar que muda de aparência vai de brilhante (esquerda / cima) para escuro em apenas alguns anos.

Quasares, mesmo?

Como poderiam esses objetos tão maciços “sumirem” ou se apagarem tão rapidamente? No início, os astrônomos se recusaram a acreditar que poderiam. Então, consideraram outras possibilidades. Por exemplo, que uma enorme nuvem de poeira passava em frente ao quasar, momentaneamente bloqueando sua luz. Um modelo teórico indicou que apenas uma situação excessivamente complexa com múltiplas nuvens poderia reproduzir essas observações. 

Parecia muito improvável. Para começar, qualquer mudança teria demorado muito mais do que alguns anos. Outros consideraram se esses objetos eram mesmo quasares. Talvez fossem estrelas passando muito perto de um buraco negro e sendo dilaceradas, ou então supernovas poderosas. O problema é que tal luz se desvaneceria com uma assinatura específica, que os astrônomos não viram.

Assim, voltaram para os quasares. No ano passado, várias observações mais próximas desses sistemas sugeriram que a resposta pode estar no disco de acreção desses quasares – um “redemoinho” de matéria quente que circunda o buraco negro e dá a esses objetos uma luminosidade ofuscante.

Disco de acreção

Em 2017, Zhenfeng Sheng, astrônomo da Universidade de Ciência e Tecnologia da China e seus colegas examinaram múltiplos quasares com aparência variável, tanto na luz visível quanto na infravermelha.

Esses comprimentos de onda permitiram que a equipe visualizasse não apenas o disco de acreção de cada quasar, mas também seu “toro” – o anel de nuvens de poeira que envolve o disco.  Isso é importante porque o disco de acreção brilhante envia luz visível para o toro escuro, onde ela é absorvida e reemitida como luz infravermelha. Devido a isso, qualquer alteração no disco será posteriormente refletida no toro.

Como ocorreu em outros estudos, os pesquisadores viram exatamente tal eco, permitindo-lhes concluir que deve ser um sinal de uma mudança na quantidade de material que flui através do disco de acreção. O modo como esta mudança radical ocorre ainda é uma questão de debate – mas muitas hipóteses surgiram recentemente.

Possibilidades

Como o quasar diminui de brilho tão rapidamente? Uma maneira de entender isso é dividir o disco de acreção em duas partes separadas: uma região interna clara que ilumina uma região externa opaca. Então, se o buraco negro consumir a região interna (um processo que poderia ocorrer em poucos meses), o disco externo ficará escuro, pois seu farol brilhante desaparecerá – muito parecido com o escurecimento da lua devido à morte do sol, por exemplo.

Ou pode ser que o disco de acreção mude sua forma. Este ano, estudos em dois quasares diferentes encontraram evidências para apoiar esta teoria. Em cada um, as cores azul e ultravioleta caíram primeiro, seguidas pelo verde e finalmente pelo vermelho. Essa sequência flui das cores de maior energia para as de menor energia. Portanto, se assemelha a alterações que se propagam do disco interno para o disco externo.

“Algo está fazendo com que o disco de acreção diminua de dentro para fora”, disse Barry McKernan, astrofísico do Museu Americano de História Natural.

Como as cores não desaparecem completamente, os pesquisadores suspeitam que o disco de acreção interno não tenha sido completamente engolido pelo buraco negro. Em vez disso, eles acham que o culpado seria algo como uma “frente fria” vinda do buraco. As cores vermelhas, por exemplo, caíram somente um ano após as cores verdes.

Mistérios

A velocidade da diminuição do brilho é importante, porque pode revelar pistas sobre a estrutura do disco. Se o disco for viscoso e turbulento, é fácil enviar informações por meio dele. Então, McKernan argumenta que o disco deve ser viscoso e, portanto, bastante inflado – como um donut, não um DVD -, antes de “desmoronar” em um disco fino.

Mas uma segunda hipótese sugere exatamente o oposto: o disco de acreção começa a ficar fino antes de se inchar. Isso é precisamente o que os astrônomos acham que ocorre quando buracos negros com massa estelares ficam inativos. Quando estão acumulando muita massa no buraco negro, o disco de acréscimo é bastante fino e luminoso. Mas quando essa taxa de crescimento cai, o disco incha em uma estrutura quase esférica que luta para emitir luz.

Hirofumi Noda, da Universidade de Tohoku, no Japão, e Chris Done, da Universidade de Durham, na Inglaterra, queriam ver se um inchaço desses também poderia ser responsável pela mudança de aparência dos quasares.

Então, neste ano, aplicaram seus modelos dos discos de acreção ao redor de buracos negros de massa estelar para os discos em torno de buracos negros supermassivos. Eles descobriram que essa mudança poderia acontecer em um disco de um quasar e rápido (embora não tão rápido quanto em uma década).

Apesar de todas essas hipóteses, os astrônomos ainda não sabem dizer com certeza qual mecanismo é responsável pelo fenômeno. Outros fatores – campos magnéticos, por exemplo – provavelmente desempenham um papel crucial que ainda não entendemos.

Quasares e galáxias: entendendo o universo

Embora os detalhes permaneçam nebulosos, uma melhor compreensão de como o gás e a poeira fluem para um buraco negro fará mais do que responder nossa pura curiosidade por esses objetos estranhos; também pode ajudar a explicar como as galáxias evoluem.

Há quase 20 anos, astrônomos descobriram que a massa de um buraco negro supermassivo está fortemente correlacionada com a massa de toda a galáxia. Na verdade, o buraco negro pode “truncar” o crescimento de uma galáxia, fazendo com que seja 10 a 100 vezes menor do que as simulações predizem. “A esfera gravitacional de influência de um buraco negro é pequena em comparação a uma galáxia inteira”, disse John Ruan, astrofísico da Universidade McGill (Canadá). “Então, por que existe uma relação tão próxima entre os dois?”

Quando a correlação foi descoberta pela primeira vez, a resposta a essa pergunta era um mistério, mas os astrônomos agora suspeitam que os quasares podem causar grandes estragos em sua galáxia hospedeira – e os efeitos são surpreendentemente de longo alcance.

O vento extremo de um quasar leva poeira e gás para fora da galáxia. Sua enorme luminosidade aquece qualquer gás residual a temperaturas tão altas que novas estrelas não podem se formar. Com isso, ele efetivamente “morre de fome” levando sua galáxia junto, em “um pacto de suicídio e assassinato”, conforme teoriza Gordon Richards, físico da Universidade Drexel (EUA).

Verificar essa hipótese é complicado, porque observar um quasar distante e sua galáxia simultaneamente é um desafio. O quasar é simplesmente muito brilhante. Os quasares que mudam de aparência são uma boa notícia, então, porque oferecem uma oportunidade sem precedentes de entender melhor os efeitos de longo alcance desses objetos.

No futuro

Para realmente compreender esse relacionamento, os astrônomos precisarão de uma grande amostra de quasares que mudam de aparência. Para encontrá-los, terão que observar várias vezes as mesmas galáxias para detectar quaisquer mudanças.

O Zwicky Transient Facility na Califórnia (EUA) já mapeia o céu desde 2017, retornando aos mesmos objetos quase 300 vezes por ano. Além disso, outras instalações semelhantes devem começar a funcionar em breve, como o Large Synoptic Survey Telescope, planejado para 2022, que mapeará todo o céu em cinco cores todas as noites.

Fonte: hypescience.com

[QuantaMagazine]