Quasares Distantes Revelam Pistas Cruciais Sobre os Primeiros Buracos Negros Supermassivos

O que você precisa saber

• Quasares são buracos negros supermassivos ativos no centro de galáxias e brilham mais do que todas as estrelas ao redor.
• O telescópio espacial Euclid, da ESA, achou 31 novos quasares; dois estão entre os mais distantes já observados.
• Um desses objetos brilha quando o Universo tinha apenas 662 milhões de anos — e já era um buraco negro de cerca de 1 bilhão de massas solares.

Num escritório em Londres, o astrofísico Daniel Mortlock, do Imperial College, resume em uma frase o que estuda: “Esses buracos negros gigantes crescem devorando matéria. Essa matéria aquece, brilha e ofusca todas as estrelas da galáxia. É isso que chamamos de quasar.”

Mortlock é um dos cientistas que tentam entender os quasares de alto redshift — objetos cuja luz foi esticada pela expansão do Universo. Quanto maior o redshift, mais distante e antigo é o objeto. Para ele, cada descoberta desse tipo é como encontrar um fóssil aceso: uma máquina cósmica que já funcionava quando o Universo tinha menos de 1 bilhão de anos.

Agora, um artigo publicado na revista Astronomy & Astrophysics mostra que o telescópio espacial Euclid, da ESA, encontrou 31 novos quasares em cerca de 3.000 graus quadrados de céu. Dois deles estão entre os mais distantes já detectados. Um dos recordistas é o EUCL J172902.75+641018.1, um quasar que já brilhava quando o Universo tinha apenas 662 milhões de anos. Isso é menos de 5% da idade atual do Universo.

O que é um quasar?

Um quasar não é uma estrela. É um buraco negro supermassivo — de um milhão a bilhões de massas solares — no centro de uma galáxia, em plena atividade. Ao redor desse buraco, forma-se um disco de acreção: um turbilhão de gás e poeira que cai na direção do buraco. Em vez de despencar de uma vez, o material gira, colide, esquenta e emite luz.

Pense em água escoando por um ralo. Ela não desce em linha reta: forma um redemoinho. No ralo cósmico, o redemoinho é feito de gás a milhares de graus, e é esse brilho que vemos. O buraco negro em si é invisível; o que enxergamos é a “fogueira” do material prestes a cair.

O disco de acreção de um quasar pode ter o tamanho do nosso Sistema Solar, mas emite mais luz que uma galáxia inteira. O nome “quasar” vem de “fonte de rádio quase estelar”, porque os primeiros detectados pareciam estrelas pontuais, mas não se comportavam como elas.

Ilustração do quasar ULAS J1120+0641, com disco de acreção brilhante ao redor do buraco negro supermassivo. — O quasar ULAS J1120+0641, um dos mais distantes já vistos, mostra o disco de acreção — um anel de gás superaquecido — que ofusca todas as estrelas da galáxia ao redor.

O enigma dos buracos negros de 1 bilhão de sóis

Aqui está o problema: como um buraco negro tão massivo conseguiu crescer tão rápido? Um objeto de bilhões de massas solares em menos de 700 milhões de anos desafia os modelos mais simples de formação.

É como plantar uma muda de 30 centímetros e, antes do segundo verão, encontrar uma árvore de 40 metros. Para os astrofísicos, essa árvore cósmica exige um mecanismo de crescimento muito mais eficiente do que o simples acúmulo de matéria.

Uma possibilidade é que os primeiros buracos negros já tenham nascido grandes, a partir do colapso de nuvens de gás gigantes. Outra é que tenham se fundido rapidamente, formando buracos cada vez maiores. Nenhuma dessas explicações está totalmente confirmada, e é exatamente isso que torna os quasares distantes tão valiosos: eles mostram o que acontecia nessa época remota.

Como encontrar um quasar “invisível”

A luz de um quasar nasce principalmente no ultravioleta e no óptico. Mas a expansão do Universo estica essa luz durante bilhões de anos. O ultravioleta vira infravermelho ao longo da viagem. Por isso, os astrônomos procuram pontos brilhantes no infravermelho que sejam completamente invisíveis no óptico.

Pense assim: um telescópio no presente recebe uma mensagem enviada em outra língua. Redshift é o tradutor que revela de onde e quando ela partiu. Se um objeto aparece no infravermelho e some no óptico, é um forte candidato a quasar de alto redshift.

O Euclid fez a varredura inicial e selecionou os candidatos. Depois, os telescópios Keck, Magellan e o Large Binocular Telescope confirmaram as descobertas com observações de espectroscopia — a técnica que separa a luz como um prisma e revela de que objetos ela veio.

Colagem de 15 dos 31 quasares descobertos pelo telescópio Euclid da ESA. — 15 dos 31 quasares encontrados pelo telescópio espacial Euclid em seu levantamento do céu. Cada ponto de luz é um buraco negro supermassivo devorando matéria no centro de uma galáxia distante.

O motor: um disco do tamanho do Sistema Solar

O que faz um quasar brilhar tanto? Quando matéria cai em direção ao buraco negro, ela não chega a cair imediatamente. Forma-se um disco. As partículas colidem, e a energia cinética vira calor. O gás chega a milhares de graus.

O disco de acreção do ULAS J1120+0641, um dos quasares mais distantes já conhecidos, é do tamanho do Sistema Solar. Mesmo assim, ele ofusca os bilhões de estrelas da galáxia hospedeira.

É a diferença entre uma lâmpada de LED e um estádio inteiro com refletores acesos. O disco é a LED; o estádio, a galáxia. Só que a LED ganha — e por muito.

O buraco negro em si é o ralo. O disco é o redemoinho ao redor do ralo. O que vemos não é o buraco, mas o material se despedindo enquanto cai.

Jatos, campos magnéticos e a conta que ninguém fecha

Além do brilho, alguns quasares lançam jatos de matéria a velocidades próximas à da luz. Esses jatos são formados por campos magnéticos, mas os detalhes físicos são complicados: magnetismo, hidrodinâmica e turbulência agem juntos num espaço-tempo curvo.

“Resolver essas equações está no limite da computação atual”, lembra Mortlock.

É como tentar calcular o movimento de cada gota dentro de um redemoinho num copo que também está girando e sendo puxado por um imã. Dá para fazer, mas quase nenhum computador consegue resolver tudo sozinho.

Os astrofísicos ainda não sabem qual mecanismo exato formou os primeiros buracos negros supermassivos. Mas cada quasar distante encontrado ajuda a descartar uma hipótese ou a fortalecer outra.

Por que isso importa para todas as galáxias

Quasares não são apenas curiosidades. Toda grande galáxia, como a Via Láctea, pode ter um buraco negro supermassivo adormecido no centro. O que os quasares mostram é o momento em que esse motor acorda.

Entender quando e como esses buracos cresceram ajuda a explicar por que galáxias espirais, elípticas e irregulares têm as formas que têm. Os quasares não são o tópico mais popular da astronomia moderna, mas são a peça que liga o passado remoto ao presente das galáxias.

E não se esqueça, mantenha sempre seus olhos no céu!

Perguntas frequentes

Quasar é uma estrela?
Não. Um quasar é um buraco negro supermassivo ativo no centro de uma galáxia. Ele recebeu esse nome porque, nas primeiras observações, parecia uma estrela pontual, mas na verdade é o brilho do material caindo ao redor do buraco negro.

O que significa redshift?
Redshift é o esticamento da luz causado pela expansão do Universo. Quando um objeto está muito distante, sua luz muda de cor: o ultravioleta e o óptico viram infravermelho. Quanto maior o redshift, mais longe e mais antigo é o objeto.

Por que os primeiros buracos negros supermassivos são um mistério?
Porque eles precisariam crescer muito rápido para alcançar 1 bilhão de massas solares em menos de 700 milhões de anos. Os modelos tradicionais de crescimento de buracos negros têm dificuldade para explicar um aumento tão veloz em um período tão curto.