No centro de todas as galáxias, incluindo a Via Láctea, encontra-se um buraco negro supermassivo. Quando um buraco negro está ativo, atrai matéria sob a forma de um redemoinho de gás e poeira a altas temperaturas. À medida que esta matéria cósmica se acumula e cai no buraco negro, ilumina a sua vizinhança, irradiando uma enorme quantidade de energia.

Os buracos negros supermassivos mais energéticos são conhecidos como quasares e são alguns dos objetos mais ativos e luminosos do Universo. Estes sistemas vorazes absorvem tanto material que a energia que emitem pode ofuscar toda a luz da galáxia circundante. O padrão de luz de um quasar pode dar aos cientistas pistas sobre como os buracos negros supermassivos ativos moldam as galáxias à sua volta.

Agora, astrónomos do MIT (Massachusetts Institute of Technology) e de outras instituições detetaram um quasar cintilante no Universo primitivo. Os cientistas rastrearam a luz do quasar até ao "amanhecer cósmico", apenas 850 milhões de anos após o Big Bang. A descoberta representa o quasar cintilante mais antigo detetado até à data.

"Embora tenham sido encontrados muitos quasares no amanhecer cósmico, esta é a primeira vez que vemos realmente um a cintilar", afirma Gene Leung, pós-doc no Instituto Kavli de Astrofísica e Investigação Espacial do MIT.

O cintilar do quasar permitiu aos investigadores determinar que, surpreendentemente, o redemoinho de gás e poeira do antigo quasar, conhecido como disco de acreção, se assemelhava a uma panqueca achatada, com uma forma semelhante à dos quasares mais recentes.

As suas descobertas vêm somar-se a um mistério de longa data na cosmologia: por que razão existem buracos negros supermassivos tão cedo na história do Universo? Os físicos têm assumido que um disco de acreção plano reflete um buraco negro relativamente maduro, que se encontra num estado calmo e estável. Os buracos negros que estão apenas a começar a formar-se, como os do Universo primitivo, deveriam ser sistemas mais instáveis, com discos de acreção que parecem mais inchados e caóticos.

O disco de acreção achatado em torno deste quasar primitivo intensifica o mistério de como os buracos negros supermassivos podem crescer e amadurecer num período cósmico muito curto.

"Penso que isto sugere que todas as fases de crescimento caóticas e muito rápidas pelas quais esperamos que todos os buracos negros passem em algum momento ocorrem muito, muito cedo, antes de os vermos como estes quasares muito brilhantes e luminosos", afirma Anna-Christina Eilers, professora assistente de física no MIT. "É essa a imagem que está a emergir".

Eilers, Leung e os seus colegas apresentaram os seus resultados num artigo científico publicado na revista Nature Astronomy. Entre os coautores contam-se membros do Kavli do MIT e de várias outras instituições.

Mais do que um pontinho

Um buraco negro supermassivo pode ter uma massa milhares de milhões de vezes superior à do Sol. Estes gigantes gravitacionais são os "motores" centrais da maioria das galáxias, ajudando a regular a formação estelar e o crescimento das mesmas.

"Sem buracos negros supermassivos, nenhuma galáxia teria a aparência que tem hoje", afirma Eilers. "Os buracos negros desempenham um papel fundamental na definição da aparência dos ecossistemas galácticos".

Durante muito tempo, assumiu-se que seriam necessários mais de mil milhões de anos para que as primeiras galáxias se estabilizassem e amadurecessem, pelo que os cientistas não esperavam encontrar buracos negros supermassivos no Universo primitivo. No entanto, observações realizadas desde o início dos anos 2000 revelaram o contrário. Os cientistas identificaram mais de 200 buracos negros supermassivos nos primeiros mil milhões de anos do Universo. Esses objetos eram detetáveis porque se encontravam numa fase de quasar extremamente ativa, emitindo enormes rajadas de radiação que podiam ser vistas a partir da Terra, a 13 mil milhões de anos-luz de distância.

Estes primeiros quasares foram observados como pontinhos de luz, o que indica a existência de um buraco negro supermassivo nos primórdios do Universo. Mas, a partir destes pontos brilhantes e distantes, os cientistas não conseguem deduzir muito mais sobre os buracos negros e os ambientes do amanhecer cósmico. Para tal, precisam de captar o "cintilar" de um quasar.

"As pessoas sabem que os quasares no Universo próximo podem cintilar", diz Leung. "O cintilar resulta de flutuações na forma como o gás é alimentado para o buraco negro. E a forma como um quasar cintila diz-nos algo sobre a estrutura do disco de acreção de um buraco negro e o tipo de 'mordidelas' que o buraco negro está a dar".

Mapeando um cintilar

Leung e Eilers procuraram detetar um quasar cintilante do Universo primitivo, 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 a sua luz parece. Este efeito deve-se ao Universo em expansão, que efetivamente estica, ou "desvia para o vermelho", a luz para comprimentos de onda mais vermelhos e mais longos. O mesmo alongamento ocorre no tempo: qualquer cintilar que ocorra naturalmente ao longo de várias semanas, por exemplo, pareceria alongado, cintilando apenas a cada poucos meses quando visto a milhares de milhões de anos-luz de distância.

Para detetar um quasar cintilante do amanhecer cósmico, a equipa precisava de observar o Universo distante em comprimentos de onda mais vermelhos, especificamente no espetro infravermelho, e ao longo de períodos de muitos anos.

"Este foi o desafio técnico que tivemos de superar", afirma Eilers. "Precisávamos de dados em comprimentos de onda infravermelhos mais longos, recolhidos repetidamente ao longo de períodos de tempo muito longos".

A equipa acabou por encontrar um cintilar nos dados recolhidos pela missão NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer) da NASA - um telescópio espacial infravermelho que observou todo o céu ao longo de um total de cerca de 14 anos. O antigo pós-doc do MIT, Kishalay De, que agora é membro do corpo docente da Universidade de Columbia, tinha lançado um projeto para reprocessar dados de arquivo do NEOWISE. Com base nos dados reprocessados, a equipa descobriu um sinal, datado de apenas 850 milhões de anos após o Big Bang, que foi confirmado como sendo o quasar cintilante mais antigo.

"Vimos o quasar a cintilar aleatoriamente ao longo do período de 14 anos, tal como a chama de uma vela cintila sem um padrão fixo", observa Leung.

Estima-se que o quasar tenha um brilho equivalente a 12 biliões de sóis e que a sua luminosidade oscile em cerca de 20 por cento, o que significa que varia para mais e para menos, com uma diferença de brilho de cerca de 2 biliões de sóis.

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

Usando dados do NEOWISE, a equipa analisou o cintilar do quasar para determinar a forma do disco de acreção que envolve o buraco negro supermassivo central. Descobriram que o disco é surpreendentemente fino e plano - uma estrutura que os astrónomos observam principalmente em torno de buracos negros mais próximos e mais antigos, que tiveram muito mais tempo para se estabilizar e amadurecer.

"Isto fornece evidências diretas de que os mesmos processos de alimentação e estruturas observados no Universo próximo já existiam em épocas muito remotas, apesar de ambientes cósmicos muito diferentes, o que nunca tinha sido visto antes", afirma Eilers.

"Isto significa que algo aconteceu ainda mais cedo, o que levou a que estes sistemas parecessem tão maduros", acrescenta Leung.

A equipa espera recuar ainda mais no tempo cósmico para observar o desenvolvimento precoce de um quasar. Assim, os cientistas poderão começar a reconstituir as condições que deram origem aos primeiros buracos negros supermassivos.

// MIT (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (Nature Astronomy)
// Artigo científico (arXiv)

Quer saber mais?

Quasar:
Wikipedia

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

WISE (ou NEOWISE):
NASA
ipac
Wikipedia