Astrônomos do MIT descobrem o quasar cintilante mais antigo já registrado.

Quando o universo tinha apenas 850 milhões de anos, esse voraz buraco negro já era surpreendentemente maduro, segundo um novo estudo. 

Astrónomos do MIT e de outras instituições detetaram um quasar cintilante no Universo primitivo. Esta representação artística ilustra o disco de acreção de um quasar. Crédito: NASA/JPL-Caltech 

Um buraco negro supermassivo reside no centro de cada galáxia, incluindo a Via Láctea. Quando um buraco negro está ativo, ele atrai matéria como um turbilhão de gás e poeira em alta temperatura. À medida que esse material cósmico se acumula e cai sobre o buraco negro, ele ilumina sua vizinhança, irradiando uma enorme quantidade de energia.

Os buracos negros supermassivos mais energéticos são conhecidos como quasares e estão entre os objetos mais ativos e luminosos do universo. Esses sistemas vorazes absorvem tanta matéria que a energia que emitem pode ofuscar toda a luz da galáxia ao seu redor. O padrão de luz de um quasar pode fornecer aos cientistas pistas sobre como os buracos negros supermassivos ativos moldam as galáxias ao seu redor.

Agora, astrônomos do MIT e de outras instituições detectaram um quasar piscando desde os primórdios do universo. Os cientistas rastrearam a luz do quasar até o "alvorecer cósmico", apenas 850 milhões de anos após o Big Bang. A descoberta representa o quasar piscante mais antigo detectado até hoje.

“Embora muitos quasares tenham sido encontrados no alvorecer cósmico, esta é a primeira vez que realmente vemos um deles piscando”, diz Gene Leung, pós-doutorando no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT.

A oscilação do quasar permitiu aos pesquisadores determinar que, surpreendentemente, o turbilhão de gás e poeira do antigo quasar, conhecido como disco de acreção, assemelhava-se a uma panqueca achatada, com formato semelhante ao dos quasares mais modernos.

Suas descobertas contribuem para desvendar um mistério antigo da cosmologia: por que buracos negros supermassivos existem tão cedo na história do universo? Os físicos presumiam que um disco de acreção plano refletia um buraco negro relativamente maduro, em um estado calmo e estável. Buracos negros que estavam apenas começando a se formar, como aqueles no universo primordial, deveriam ser sistemas mais instáveis, com discos de acreção que aparentavam ser mais inchados e caóticos. 

O disco de acreção plano em torno desse quasar muito primitivo aumenta o mistério de como buracos negros supermassivos podem crescer e amadurecer em um período de tempo cósmico muito curto.

“Acho que isso sugere que todas as fases de crescimento caóticas e muito rápidas pelas quais esperamos que todos os buracos negros passem em algum momento acontecem muito, muito cedo, antes de os vermos como esses quasares luminosos muito brilhantes”, diz Anna-Christina Eilers, professora assistente de física do MIT. “Esse é o quadro que está surgindo.”

Eilers, Leung e seus colegas relatam seus resultados em um artigo publicado hoje na Nature Astronomy . Entre os coautores estão membros do MIT Kavli e de diversas outras instituições.

Mais do que um alfinete

Um buraco negro supermassivo pode ter bilhões de vezes a massa do Sol. Esses gigantes gravitacionais são os "motores" centrais da maioria das galáxias, ajudando a regular a formação e o crescimento de estrelas.

“Sem buracos negros supermassivos, nenhuma galáxia teria a aparência que tem hoje”, diz Eilers. “Os buracos negros desempenham um papel fundamental na formação da aparência dos ecossistemas galácticos.”

Durante muito tempo, acreditou-se que as primeiras galáxias levariam mais de um bilhão de anos para se estabilizarem e amadurecerem, portanto, os cientistas não esperavam encontrar buracos negros supermassivos no universo primordial. Mas observações feitas desde o início dos anos 2000 mostraram o contrário. Os cientistas detectaram mais de 200 buracos negros supermassivos no primeiro bilhão de anos do universo. Esses objetos foram detectáveis ​​porque estavam em uma fase de quasar extremamente ativa, emitindo enormes rajadas de radiação que podiam ser vistas da Terra, a 13 bilhões de anos-luz de distância.

Esses primeiros quasares foram observados como minúsculos pontos de luz, sinalizando a existência de um buraco negro supermassivo em seus primórdios. Mas, a partir desses pontos brilhantes e distantes, os cientistas não conseguem inferir muito mais sobre os buracos negros e seus ambientes primordiais. Para isso, precisam capturar o "cintilamento" de um quasar.

“Já se sabe que os quasares no universo próximo podem cintilar”, diz Leung. “A cintilação provém de flutuações na forma como o gás é alimentado no buraco negro. E a forma como um quasar cintila nos diz algo sobre a estrutura do disco de acreção de um buraco negro e o tipo de 'pedaços' que o buraco negro está devorando.”

Mapeando uma oscilação

Leung e Eilers buscavam detectar um quasar cintilante do universo primordial na esperança de aprender mais sobre a forma e a estrutura dos primeiros buracos negros supermassivos. Fazer isso seria um desafio técnico: quanto mais distante no tempo e no espaço um objeto estiver, mais distorcida sua luz parecerá. Esse efeito se deve à expansão do universo, que efetivamente estica, ou "desvia para o vermelho", a luz para comprimentos de onda mais longos e vermelhos. O mesmo estiramento ocorre no tempo: qualquer cintilação que ocorra naturalmente ao longo de várias semanas, por exemplo, apareceria esticada, cintilando apenas a cada poucos meses quando vista a bilhões de anos-luz de distância.

Para detectar um quasar cintilante desde o alvorecer cósmico, a equipe precisou observar o universo distante em comprimentos de onda mais vermelhos, especificamente dentro do espectro infravermelho, e em longos períodos de tempo, da ordem de muitos anos.

“Esse foi o desafio técnico que tivemos que superar”, diz Eilers. “Precisávamos de dados em comprimentos de onda infravermelhos mais longos, coletados repetidamente ao longo de períodos muito longos.”

A equipe acabou encontrando uma oscilação nos dados coletados pela missão NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer) da NASA — um telescópio infravermelho espacial que escaneou todo o céu ao longo de cerca de 14 anos. O ex-pós-doutorando do MIT, Kishalay De, que agora é professor na Universidade Columbia, havia iniciado um projeto para reprocessar dados de arquivo do NEOWISE. Com base nos dados reprocessados, a equipe descobriu um sinal, de apenas 850 milhões de anos após o Big Bang, que foi confirmado como sendo o quasar oscilante mais antigo já registrado.

“Observamos o quasar oscilando aleatoriamente ao longo de um período de 14 anos, de forma muito semelhante à chama de uma vela que oscila sem um padrão fixo”, observa Leung.

Eles estimam que o quasar seja tão brilhante quanto 12 trilhões de sóis e que sua luminosidade varie em cerca de 20%, ou seja, flutue para cima e para baixo, em uma proporção de aproximadamente 2 trilhões de sóis.

Os pesquisadores também rastrearam como a luz do quasar oscilava em vários comprimentos de onda diferentes. O comprimento de onda da luz reflete uma certa temperatura do material que a emite. Quanto mais próximo o material estiver de um buraco negro, mais quente ele estará. Os pesquisadores podem, portanto, usar os comprimentos de onda da luz para mapear a forma e a estrutura do material dentro do disco de acreção ao redor de um buraco negro.

Usando dados do NEOWISE, a equipe analisou a cintilação do quasar para determinar a forma do disco de acreção que circunda o buraco negro supermassivo central. Eles descobriram que o disco é surpreendentemente fino e plano — uma estrutura que os astrônomos geralmente observam em torno de buracos negros próximos e mais antigos, que tiveram muito mais tempo para se estabilizar e amadurecer.

“Isso fornece evidências diretas de que os mesmos processos de alimentação e estruturas observados no universo próximo já estavam presentes em tempos muito remotos, apesar de ambientes cósmicos muito diferentes, que nunca haviam sido vistos antes”, diz Eilers.

“Isso significa que algo aconteceu ainda antes, que fez com que esses sistemas parecessem tão maduros”, acrescenta Leung.

A equipe espera olhar ainda mais para trás no tempo cósmico para flagrar o desenvolvimento inicial e prematuro de um quasar. Assim, os cientistas poderão começar a reconstruir as condições que deram origem aos primeiros buracos negros supermassivos.

Esta pesquisa foi financiada, em parte, pela NASA.

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