Hubble inesperadamente encontra quasar duplo no universo distante

O universo primitivo era um lugar indisciplinado onde as galáxias muitas vezes esbarravam umas nas outras e até se fundiam. Usando o Telescópio Espacial Hubble da NASA e outros observatórios espaciais e terrestres, os astrônomos que investigam esses desenvolvimentos fizeram uma descoberta inesperada e rara: um par de quasares gravitacionalmente ligados, ambos brilhando dentro de duas galáxias em fusão. Eles existiram quando o universo tinha apenas 3 bilhões de anos. 

O conceito deste artista mostra o brilho brilhante de dois quasares que residem nos núcleos de duas galáxias que estão no processo caótico de fusão. O cabo de guerra gravitacional entre as duas galáxias acende uma tempestade de fogo de nascimento de estrelas. Os quasares são faróis brilhantes de luz intensa dos centros de galáxias distantes. Eles são alimentados por buracos negros supermassivos que se alimentam vorazmente da matéria em queda. Esse frenesi de alimentação desencadeia uma torrente de radiação que pode ofuscar a luz coletiva de bilhões de estrelas na galáxia hospedeira. Em algumas dezenas de milhões de anos, os buracos negros e suas galáxias se fundirão, assim como o par de quasar, formando um buraco negro ainda mais massivo. Créditos: NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)

Os quasares são objetos brilhantes alimentados por buracos negros vorazes e supermassivos que explodem fontes ferozes de energia enquanto se engolem em gás, poeira e qualquer outra coisa ao seu alcance gravitacional.

"Não vemos muitos quasares duplos neste momento inicial do universo. E é por isso que essa descoberta é tão emocionante", disse o estudante de pós-graduação Yu-Ching Chen, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, principal autor deste estudo.

Encontrar quasares binários próximos é uma área relativamente nova de pesquisa que acaba de se desenvolver nos últimos 10 a 15 anos. Os novos e poderosos observatórios de hoje permitiram que os astrônomos identificassem casos em que dois quasares estão ativos ao mesmo tempo e estão próximos o suficiente para que eles eventualmente se fundam.

Há evidências crescentes de que grandes galáxias são construídas através de fusões. Sistemas menores se juntam para formar sistemas maiores e estruturas cada vez maiores. Durante esse processo, deve haver pares de buracos negros supermassivos formados dentro das galáxias em fusão. "Saber sobre a população progenitora de buracos negros acabará por nos dizer sobre o surgimento de buracos negros supermassivos no início do universo e quão frequentes essas fusões poderiam ser", disse Chen.

"Estamos começando a desvendar essa ponta do iceberg da população inicial de quasares binários", disse Xin Liu, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. "Esta é a singularidade deste estudo. Na verdade, está nos dizendo que essa população existe, e agora temos um método para identificar quasares duplos que são separados por menos do que o tamanho de uma única galáxia."

Esta foi uma busca de agulha no palheiro que exigiu o poder combinado do Telescópio Espacial Hubble da NASA e dos Observatórios W.M. Keck, no Havaí. Observações de vários comprimentos de onda do Observatório Internacional Gemini no Havaí, Karl G. Jansky Very Large Array da NSF no Novo México e do Observatório de Raios-X Chandra da NASA também contribuíram para a compreensão da dupla dinâmica. E o observatório espacial Gaia da ESA (Agência Espacial Europeia) ajudou a identificar este quasar duplo em primeiro lugar. 

"A sensibilidade e a resolução do Hubble forneceram imagens que nos permitem descartar outras possibilidades para o que estamos vendo", disse Chen. O Hubble mostra, inequivocamente, que este é de fato um par genuíno de buracos negros supermassivos, em vez de duas imagens do mesmo quasar criadas por uma lente gravitacional em primeiro plano. E o Hubble mostra uma característica de maré da fusão de duas galáxias, onde a gravidade distorce a forma das galáxias que formam duas caudas de estrelas. 

Uma fotografia do Telescópio Espacial Hubble de um par de quasares que existiam quando o universo tinha apenas 3 bilhões de anos. Eles estão embutidos dentro de um par de galáxias em colisão. Os quasares são separados por menos do que o tamanho de uma única galáxia. Os quasares são alimentados por buracos negros vorazes e supermassivos que explodem fontes ferozes de energia enquanto se engolem em gás, poeira e qualquer outra coisa ao seu alcance gravitacional. Os buracos negros acabarão por se fundir. Créditos: NASA, ESA, Yu-Ching Chen (UIUC), Hsiang-Chih Hwang (IAS), Nadia Zakamska (JHU), Yue Shen (UIUC)

No entanto, a resolução nítida do Hubble por si só não é boa o suficiente para procurar esses faróis de luz duplos. Os pesquisadores recrutaram o Gaia, lançado em 2013, para identificar potenciais candidatos a quasares duplos. Gaia mede as posições, distâncias e movimentos de objetos celestes próximos com muita precisão. Mas em uma nova técnica, ela pode ser usada para explorar o universo distante.

O enorme banco de dados do Gaia pode ser usado para procurar quasares que imitam o movimento aparente de estrelas próximas. Os quasares aparecem como objetos únicos nos dados de Gaia porque estão muito próximos. No entanto, Gaia pode captar um "tremor" sutil e inesperado que imita uma aparente mudança de posição de alguns dos quasares que observa. 

Na realidade, os quasares não estão se movendo pelo espaço de forma mensurável. Em vez disso, sua oscilação poderia ser evidência de flutuações aleatórias de luz, já que cada membro do par de quasares varia em brilho em escalas de tempo de dias a meses, dependendo do cronograma de alimentação de seu buraco negro. Este brilho alternado entre o par de quasares é semelhante a ver um sinal de travessia ferroviária à distância. À medida que as luzes em ambos os lados do sinal estacionário piscam alternadamente, o sinal dá a ilusão de "tremer". 

Outro desafio é que, como a gravidade distorce o espaço como um espelho divertido, uma galáxia em primeiro plano poderia dividir a imagem de um quasar distante em dois, criando a ilusão de que era realmente um par binário. O telescópio Keck foi usado para garantir que não haja nenhuma galáxia de lente entre nós e o quasar duplo suspeito. 

Como o Hubble olha para o passado distante, esse quasar duplo não existe mais. Ao longo dos 10 bilhões de anos seguintes, suas galáxias hospedeiras provavelmente se estabeleceram em uma galáxia elíptica gigante, como as vistas no universo local hoje. E os quasares se fundiram para se tornar um gigantesco buraco negro supermassivo em seu centro. A galáxia elíptica gigante próxima, M87, tem um buraco negro monstruoso pesando 6,5 bilhões de vezes a massa do nosso Sol. Talvez este buraco negro tenha crescido a partir de uma ou mais fusões de galáxias nos últimos bilhões de anos. 

O próximo Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, com a mesma acuidade visual que o Hubble, é ideal para a caça de quasares binários. O Hubble tem sido usado para coletar dados meticulosamente para alvos individuais. Mas a visão infravermelha muito grande angular de Roman do universo é 200 vezes maior que a do Hubble. "Muitos quasares por aí podem ser sistemas binários. O telescópio romano pode fazer grandes melhorias nesta área de pesquisa", disse Liu.

Fonte: nasa.gov