Quasares: tudo o que você precisa saber sobre os objetos mais brilhantes do universo

Os quasares são os centros ardentes de galáxias ativas e são alimentados por um buraco negro supermassivo que se alimenta de enormes quantidades de gás.

Os quasares são os centros ardentes de galáxias ativas e são alimentados por um buraco negro supermassivo que se alimenta de enormes quantidades de gás. (Crédito da imagem: NASA/ESA/CSA/Joseph Olmsted (STScI)) 

Quasares são os núcleos notavelmente brilhantes de galáxias ativas no universo distante. Eles são uma forma extrema do que os astrônomos chamam de "núcleos galácticos ativos", ou AGN, para abreviar. Uma galáxia ativa é aquela em que o buraco negro supermassivo central consome grandes quantidades de matéria. 

A entrada de matéria no buraco negro é tão grande que todo o material não pode entrar no buraco negro ao mesmo tempo e por isso forma uma fila como um disco de acreção em espiral.

A matéria — na forma de enormes nuvens — cai no disco, com as partes internas da nuvem mais próximas do buraco negro orbitando mais rápido do que as partes externas (assim como os planetas mais próximos do Sol orbitam mais rápido do que aqueles mais distantes ) . Isto cria uma força de cisalhamento que torce as nuvens, fazendo-as colidir com as suas vizinhas à medida que se movem em torno do buraco negro a velocidades que variam entre 10% da velocidade da luz e mais de 80% . Esta fricção das nuvens de gás em movimento rápido gera calor, e o disco fica tão quente – milhões de graus – que brilha intensamente.

Parte do material do disco também é canalizado para longe do buraco negro em um jato altamente luminoso e colimado magneticamente. O disco de acreção quente e o jato se combinam para fazer o núcleo da galáxia ativa brilhar tanto que pode ser visto em todo o universo.

PERGUNTAS FREQUENTES SOBRE QUASAR

Um quasar é apenas um buraco negro?

Sim, um quasar é apenas um buraco negro, mas não qualquer buraco negro – é um buraco negro supermassivo que está a crescer rapidamente, empanturrando-se de enormes quantidades de gás. É esse gás, na forma de um “disco de acreção” em espiral ao redor do buraco negro, que fica muito quente e emite toda a luz. O disco, juntamente com a rotação do buraco negro e os campos magnéticos entrelaçados entre os dois, é a fonte do jato que também dá aos quasares grande parte do seu brilho.

Como os quasares são formados?

Os quasares são formados quando um evento faz com que uma enorme quantidade de gás se acumule no buraco negro supermassivo central de uma galáxia. No início da história do universo, podem ter sido fluxos de material fluindo para a galáxia através de filamentos na teia cósmica; mais tarde, as forças gravitacionais das marés resultantes de colisões de galáxias e encontros próximos também podem ter causado o aparecimento de alguns quasares.

Um quasar já foi visto?

Sim! O quasar mais próximo e mais brilhante - chamado 3C 273 - é visível até mesmo para astrónomos amadores com um telescópio de pelo menos 8 polegadas, ou astro-imagers, uma vez que brilha com magnitude 12,9 na constelação de Virgem. Os quasares são tão brilhantes que podem ser vistos a grandes distâncias em todo o universo; o quasar mais distante conhecido é visto tal como apareceu há 13,13 mil milhões de anos . O Telescópio Espacial Hubble também obteve imagens das galáxias hospedeiras mais fracas dos quasares, então os astrônomos sabem com certeza que os quasares são os núcleos ativos de algumas galáxias.

QUÃO BRILHANTES SÃO OS QUASARES?

Uma seleção de imagens do Telescópio Espacial Hubble mostrando quasares brilhantes e, muito fracamente, suas galáxias hospedeiras. Esses quasares estão todos a muitos bilhões de anos-luz de distância.(Crédito da imagem: John Bahcall (Instituto de Estudos Avançados, Princeton), Mike Disney (Universidade do País de Gales)/NASA/ESA.)

Para se ter uma ideia da luminosidade de um quasar, cientistas do Laboratório de Ciências Espaciais Mullard da University College London descrevem como o quasar mais próximo, 3C 272, tem uma luminosidade de 2,5 x 1040 watts, equivalente a 25 trilhões de vezes a luminosidade do nosso sol. . Os astrónomos da Universidade Estatal de Ohio colocam a questão de outra forma, descrevendo como os quasares podem brilhar entre 10 e 100.000 vezes mais do que toda a nossa galáxia, a Via Láctea.

QUAL O TAMANHO DOS QUASARES?

Apesar de sua incrível luminosidade, a fonte de energia de um quasar é relativamente pequena em comparação com a galáxia hospedeira em que reside. Os astrônomos podem observar a flutuação da luz de um quasar porque, como um quasar é muito pequeno, a luz pode cruzar de um lado do disco de acreção para o outro em um curto período de tempo. Para os quasares menores, a luz pode levar apenas alguns dias para cruzar de um lado ou de outro.

Neste caso, isto equivaleria a menos de 1.000 unidades astronómicas (uma unidade astronómica é a distância entre a Terra e o Sol, que tem aproximadamente 93 milhões de milhas ou 150 milhões de quilómetros) de diâmetro. Este seria o tamanho do buraco negro e do seu disco de acreção. Quanto mais massivo for o buraco negro, maior será o disco de acreção. O maior pode atingir alguns anos-luz de tamanho.

Este é um tamanho enorme em termos humanos, mas comparado ao tamanho de uma galáxia (nossa Via Láctea tem aproximadamente 100.000 anos-luz, o que tem cerca de 588 quatrilhões de milhas (946 quatrilhões de quilômetros) de diâmetro, um quasar é muito pequeno e ainda assim produz enormes quantidades de energia.

COMO OS QUASARES SE FORMAM?

O que faz com que grandes quantidades de matéria se dirijam em direção a um buraco negro supermassivo e o “ativem” como um quasar?

Um cenário é uma fusão de galáxias. Quando duas galáxias colidem uma com a outra, a perturbação causada pelos seus respectivos campos gravitacionais muda a direção do movimento das nuvens gigantes de gás molecular nessas galáxias, fazendo-as cair em direção ao buraco negro.

Mas como é que os quasares começaram a vida no início do Universo, quando aparentemente não houve tempo suficiente para formar buracos negros supermassivos? De acordo com físicos da Universidade de Portsmouth, no Reino Unido, os buracos negros saíram na frente. Simulações de supercomputadores mostram como, apenas algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, vastas correntes de gás frio foram capazes de fluir juntas formando uma nuvem dinamicamente instável que entrou em colapso sob a gravidade para formar estrelas primordiais com dezenas de milhares de vezes a massa do sol . Se o modelo estiver correto, então essas estrelas teriam colapsado ainda mais, formando buracos negros de massa intermediária que atuaram como sementes que cresceram e se transformaram em buracos negros supermassivos que alimentam os quasares.

COMO OS QUASARES RECEBERAM ESSE NOME?

Embora o AGN num quasar seja bastante pequeno, ele brilha mais do que o resto da sua galáxia hospedeira. Por serem pequenos, um AGN parece um ponto à distância. Quando os quasares foram descobertos pela primeira vez no início da década de 1960, à primeira vista pareciam estrelas porque apenas o AGN era suficientemente brilhante para ser visto – a galáxia hospedeira dos quasares era demasiado ténue. Como resultado, o nome "quasar" é uma mala de viagem de um objeto "quase estelar".

Embora tenham nomes com sons semelhantes, os quasares não estão relacionados aos pulsares , que são estrelas de nêutrons girando.

A QUE DISTÂNCIA ESTÃO OS QUASARES?

O quasar mais próximo está a 2,3 bilhões de anos-luz de distância. Muitas são observadas quando o Universo tinha apenas três ou quatro mil milhões de anos, numa época em que as galáxias estavam mais próximas, os encontros e colisões eram mais frequentes e havia um maior fornecimento de gás para alimentar um buraco negro. Entre os quasares mais distantes está um chamado J0313-1806 , que vemos tal como existia quando o Universo tinha apenas 670 milhões de anos, o que equivale a 13,13 mil milhões de anos atrás.

FEEDBACK DO QUASAR

Toda a radiação emitida por um quasar pode ter efeitos dramáticos na galáxia hospedeira do quasar. Os astrônomos chamam isso de "feedback", e críticos para o efeito de feedback são os poderosos fluxos de gás ionizado expelidos do quasar por ventos de radiação que são semelhantes ao vento solar , mas muitas vezes mais poderosos.

As consequências destas saídas podem muitas vezes ser contraditórias . Por um lado, à medida que se expandem para a galáxia hospedeira em geral, juntam-se nuvens de gás molecular, desencadeando explosões estelares gigantescas – períodos de rápida formação estelar. Por outro lado, as saídas podem expulsar o gás do meio interestelar , aquecendo-o o suficiente para que se torne demasiado energético para colapsar e formar estrelas, ou expelindo-o inteiramente da galáxia, privando assim a formação estelar do seu combustível.

Os efeitos dos fluxos de saída dos quasares podem ter consequências duradouras para a evolução das galáxias, muitas vezes paralisando a sua fase de formação estelar após uma breve explosão, por vezes durante centenas de milhões de anos, por vezes para sempre.

EXISTEM OUTROS TIPOS DE AGN?

Existe todo um espectro de AGN, emitindo diferentes quantidades de energia. Os quasares estão próximos do extremo superior deste espectro, mas existem outros tipos de AGN que não são quasares.

Considere que os quasares são tão brilhantes porque estão quase voltados para nós. Quando eles ficam exatamente de frente, e estamos olhando para o feixe de seu jato relativístico, nós os chamamos de blazar, porque seu jato parece muito mais brilhante e parece estar “ardente”. Um tipo notável de blazar é um objeto "BL Lac", que varia dramaticamente em brilho e tem um espectro suave com poucas ou nenhumas linhas espectrais óbvias.

Existem outros tipos de AGN. As galáxias Seyfert têm um disco de acreção, mas nenhum jato brilhante e geralmente têm atividade mais fraca do que um quasar. Eles podem ser divididos em duas classes diferentes, que são o mesmo tipo de objeto visto apenas em ângulos diferentes. Os AGN Seyfert Tipo I são notáveis ​​porque possuem dois conjuntos fortes de linhas espectrais em seu espectro, amplo e estreito, enquanto os AGN Seyfert Tipo II não possuem linhas de emissão largas e fortes. Isso ocorre porque os vemos de ângulos diferentes: nos Seyferts Tipo I, olhamos diretamente para o disco de acreção, mas no Tipo II olhamos mais de lado, onde parte da emissão é bloqueada por um toro espesso de pó.

No extremo oposto dos quasares e blazares estão os LINERs, que significa Regiões de Linha de Emissão Nuclear de Baixa Ionização. LINERS têm atividade fraca de AGN; alguns podem nem ter um disco de acréscimo e, portanto, não seriam AGN verdadeiros.

Todos os AGN também podem ser divididos em dois campos - aqueles que emitem muitas ondas de rádio (as chamadas "galáxias com alto volume de rádio") e aqueles que não o fazem. Esta divisão pode ser dividida no mesmo tipo de AGN - por exemplo, alguns quasares têm alto volume de rádio, como 3C 273, que foi identificado pela primeira vez na década de 1950 como o 273º objeto no terceiro catálogo de fontes de rádio de Cambridge, enquanto outros quasares são rádio silencioso.

PERGUNTAS E RESPOSTAS DE ESPECIALISTAS EM QUASAR

Conversamos com a Dra. Vicky Fawcett, da Universidade de Newcastle, sobre sua pesquisa que estuda os chamados quasares vermelhos , cuja luz foi avermelhada pela poeira cósmica e que também tendem a ter fortes emissões de rádio.

Em que desvio para o vermelho tendemos a encontrar quasares e onde é que os quasares vermelhos se enquadram nisso?

Encontramos quasares em todos os redshifts, embora o pico de atividade dos quasares tenha ocorrido em torno dos redshifts 2 a 3 (aproximadamente dois a três bilhões de anos após o Big Bang). Em geral, esperamos que os quasares vermelhos vivam ao lado dos quasares normais, mas se acreditarmos que os quasares vermelhos estão numa fase mais jovem do que os quasares azuis, então podemos esperar que sejam mais comuns, em média, no universo primitivo (ou seja, em níveis mais elevados). desvios para o vermelho). 

No entanto, existem preconceitos estatísticos que entram em jogo com os quasares vermelhos, uma vez que a poeira tornará a luz dos quasares vermelhos mais fraca do que a de um quasar azul com o mesmo brilho intrínseco. Portanto, as suas observações serão tendenciosas para quasares vermelhos mais brilhantes e por isso é difícil comparar as duas populações. Em nosso trabalho, controlamos tanto o brilho quanto o desvio para o vermelho dos quasares para garantir que incluímos esses vieses em nossas análises.

De onde vem a poeira que avermelha a luz do quasar?

A poeira deveria inicialmente ter se formado em estrelas. A localização da poeira que faz com que um quasar fique vermelho geralmente depende do modelo em que você acredita. Alguns estudos sobre quasares vermelhos afirmam que a poeira (que faz com que um quasar fique vermelho) se deve a uma estrutura empoeirada semelhante a um toro que circunda o disco de acreção. Neste modelo, um quasar vermelho e um quasar azul são o mesmo objeto, que só diferem dependendo da nossa linha de visão: num quasar vermelho, a nossa linha de visão intercepta o toro empoeirado, tornando-o vermelho. 

Outro modelo com o qual meus resultados estão mais de acordo é o modelo evolutivo. Isto prevê que algum evento, como uma fusão, canaliza gás para o centro da galáxia, causando uma fase de explosão estelar e iniciando um quasar. O quasar é inicialmente obscurecido por causa de todo o gás e poeira que o rodeia (a fase do quasar vermelho), provavelmente devido à explosão estelar (embora uma grande porção de poeira possa ter vindo do espaço interestelar). Depois, através de fluxos, o quasar afasta a poeira circundante, revelando eventualmente um quasar azul e desobstruído.

Achamos que a nossa Via Láctea já foi um quasar?

Acreditamos que os quasares (e, de forma mais geral, as galáxias ativas) acabarão por ficar sem combustível e se tornarão uma galáxia típica “inativa”. No entanto, os quasares geralmente estão em galáxias massivas que hospedam buracos negros massivos no seu centro. A Via Láctea tem um buraco negro relativamente pequeno no seu centro, por isso não teria sido capaz de produzir um quasar extremamente brilhante. 

Dito isto, a Via Láctea provavelmente esteve “ativa” no passado devido aos jatos remanescentes que podemos observar do buraco negro central, embora teria sido uma galáxia ativa muito menos poderosa do que um quasar. Eventualmente (dentro de aproximadamente 2 mil milhões de anos), a Via Láctea irá fundir-se com a nossa galáxia espiral vizinha, Andrómeda, e formar um quasar típico, que provavelmente passará por uma fase de quasar vermelho."

Fonte: Space.com