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Os astrónomos observam a elusiva luz estelar que rodeia quasares antigos
10 de maio de 2024
 

Uma imagem, obtida pelo Telescópio James Webb, mostra o quasar J0148 no círculo vermelho. Duas inserções mostram, em cima, o buraco negro central, e em baixo, a emissão estelar da galáxia hospedeira.
Crédito: Yue et al., 2024, NASA
 
     
 
 
 

Os astrónomos do MIT (Massachusetts Institute of Technology) observaram a luz estelar elusiva que rodeia alguns dos primeiros quasares do Universo. Os sinais distantes, que remontam a mais de 13 mil milhões de anos na infância do Universo, estão a revelar pistas sobre a evolução dos primeiros buracos negros e galáxias.

Os quasares são os centros fulgurantes de galáxias ativas, que albergam um buraco negro supermassivo insaciável no seu núcleo. A maioria das galáxias tem um buraco negro central que pode, ocasionalmente, alimentar-se de gás e detritos estelares, gerando uma breve explosão de luz sob a forma de um anel brilhante à medida que o material se aproxima [do buraco negro].

Os quasares, em contraste, podem consumir enormes quantidades de matéria durante períodos de tempo muito mais longos, gerando um anel extremamente brilhante e duradouro - tão brilhante, de facto, que os quasares estão entre os objetos mais luminosos do Universo.

Por serem tão brilhantes, os quasares ofuscam o resto da galáxia em que residem. Mas a equipa do MIT conseguiu, pela primeira vez, observar a luz muito mais fraca das estrelas nas galáxias hospedeiras de três quasares antigos.

Com base nesta luz estelar esquiva, os investigadores estimaram a massa de cada galáxia hospedeira, em comparação com a massa do seu buraco negro supermassivo central. Descobriram que, para estes quasares, os buracos negros centrais eram muito mais massivos em relação às galáxias hospedeiras, em comparação com os seus homólogos modernos.

As descobertas, publicadas na revista The Astrophysical Journal, podem esclarecer como é que os primeiros buracos negros supermassivos se tornaram tão grandes, apesar de terem tido um período de tempo cósmico relativamente curto para crescer. Em particular, esses primeiros buracos negros monstruosos podem ter "brotado" de "sementes" mais massivas do que os buracos negros mais modernos.

"Depois do nascimento do Universo, houve buracos negros 'semente' que consumiram material e cresceram num espaço de tempo muito curto", afirma o autor do estudo, Minghao Yue, pós-doutorado no Instituto Kavli de Astrofísica e Investigação Espacial do MIT. "Uma das grandes questões é perceber como é que estes buracos negros monstruosos puderam crescer tanto e tão depressa".

"Estes buracos negros são milhares de milhões de vezes mais massivos do que o Sol, numa altura em que o Universo ainda estava na sua infância", afirma a autora do estudo, Anna-Christina Eilers, professora assistente de Física no MIT. "Os nossos resultados implicam que, nos primórdios do Universo, os buracos negros supermassivos podem ter ganho massa antes das galáxias que os acolheram, e as sementes iniciais de buracos negros podem ter sido mais massivas do que atualmente".

Entre os coautores de Eilers e Yue contam-se Robert Simcoe, Diretor do Kavli do MIT, Rohan Naidu, bolseiro e pós-doutorado Hubble do MIT, e colaboradores na Suíça, Áustria, Japão e na Universidade Estatal da Carolina do Norte.

Núcleos ofuscantes

A luminosidade extrema de um quasar tem sido óbvia desde que os astrónomos descobriram estes objetos pela primeira vez na década de 1960. Assumiram então que a luz do quasar provinha de uma única "fonte pontual", semelhante a uma estrela. Os cientistas designaram os objetos por "quasares" (combinação das palavras "quase" e "estelar"). Desde essas primeiras observações, os cientistas aperceberam-se de que os quasares não são, de facto, de origem estelar, mas que emanam da acreção de buracos negros supermassivos, intensamente poderosos e persistentes, situados no centro de galáxias que também albergam estrelas, que são muito mais ténues em comparação com os seus núcleos ofuscantes.

Tem sido extremamente difícil separar a luz do buraco negro central de um quasar da luz estelar da galáxia que o acolhe. A tarefa é um pouco como discernir um grupo de pirilampos à volta de um holofote central e gigantesco. Mas, nos últimos anos, os astrónomos têm tido muito mais hipóteses de o fazer com o lançamento do Telescópio Espacial James Webb da NASA, que tem sido capaz de recuar mais no tempo e com uma sensibilidade e resolução muito maiores do que qualquer observatório existente.

No seu novo estudo, Yue e Eilers utilizaram tempo de observação com o JWST para observar seis quasares antigos e conhecidos, de forma intermitente, desde o outono de 2022 até à primavera seguinte. No total, a equipa recolheu mais de 120 horas de observações dos seis objetos distantes.

"O quasar ofusca a sua galáxia hospedeira em ordens de grandeza. E as imagens anteriores não eram suficientemente nítidas para distinguir o aspeto da galáxia hospedeira, com todas as suas estrelas", diz Yue. "Agora, pela primeira vez, somos capazes de revelar a luz destas estrelas modelando cuidadosamente as imagens muito mais nítidas desses quasares pelo JWST."

Um equilíbrio de luz

A equipa fez um balanço dos dados de imagem recolhidos pelo JWST de cada um dos seis quasares distantes, que estimaram ter cerca de 13 mil milhões de anos. Esses dados incluíam medições da luz de cada quasar em diferentes comprimentos de onda. Os investigadores introduziram esses dados num modelo que calcula a quantidade de luz que provavelmente provém de uma "fonte pontual" compacta, como o disco de acreção de um buraco negro central, em comparação com uma fonte mais difusa, como a luz das estrelas dispersas que compõem a galáxia hospedeira.

Através desta modelação, a equipa separou a luz de cada quasar em dois componentes: a luz do disco luminoso do buraco negro central e a luz das estrelas mais difusas da galáxia hospedeira. A quantidade de luz de ambas as fontes é um reflexo da sua massa total. Os investigadores estimam que, para estes quasares, o rácio entre a massa do buraco negro central e a massa da galáxia hospedeira era de cerca de 1:10. Isto contrasta com o atual equilíbrio de massa de 1:1000, em que os buracos negros formados mais recentemente são muito menos massivos do que as galáxias que os acolhem.

"Isto diz-nos algo sobre o que cresce primeiro: é o buraco negro que cresce primeiro, e depois a galáxia apanha-o? Ou será que é a galáxia e as suas estrelas que crescem primeiro e que dominam e regulam o crescimento do buraco negro?" explica Eilers. "Vemos que os buracos negros no início do Universo parecem estar a crescer mais depressa do que as galáxias que os acolhem. Esta é uma evidência preliminar de que as sementes iniciais dos buracos negros podem ter sido mais massivas nessa altura".

"Deve ter havido algum mecanismo que fez com que um buraco negro ganhasse massa mais cedo do que a galáxia que o acolheu nesses primeiros mil milhões de anos", acrescenta Yue. "É a primeira evidência que vemos disso, o que é empolgante".

// MIT (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal)
// Artigo científico (arXiv.org)

 


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Quasar:
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