Jennifer Chu | MIT News
Um quasar é o núcleo extremamente brilhante de uma galáxia que abriga um buraco negro supermassivo ativo em seu centro. À medida que o buraco negro atrai o gás e a poeira ao seu redor, ele emite uma quantidade enorme de energia, tornando os quasars alguns dos objetos mais brilhantes do universo. Quasars foram observados já alguns centenas de milhões de anos após o Big Bang, e tem sido um mistério como esses objetos puderam crescer tão brilhantes e massivos em um período tão curto de tempo cósmico.
Os cientistas propuseram que os primeiros quasars surgiram de regiões excessivamente densas de matéria primordial, que também teriam produzido muitas galáxias menores no ambiente dos quasars. Mas em um novo estudo liderado pelo MIT, os astrônomos observaram alguns quasars antigos que parecem estar surpreendentemente sozinhos no início do universo.
Os astrônomos usaram o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA para olhar para trás no tempo, mais de 13 bilhões de anos, para estudar os arredores cósmicos de cinco quasars antigos conhecidos. Eles encontraram uma variedade surpreendente em seus bairros, ou “campos de quasar”. Enquanto alguns quasars residem em campos muito lotados com mais de 50 galáxias vizinhas, como todos os modelos preveem, os quasars restantes parecem flutuar em vazios, com apenas algumas galáxias isoladas em sua proximidade.
Esses quasars solitários estão desafiando a compreensão dos físicos sobre como objetos tão luminosos puderam se formar tão cedo no universo, sem uma fonte significativa de matéria ao redor para alimentar o crescimento de seus buracos negros.
“Contrariamente à crença anterior, descobrimos que, em média, esses quasars não estão necessariamente nas regiões de maior densidade do início do universo. Alguns deles parecem estar no meio do nada”, diz Anna-Christina Eilers, professora assistente de física no MIT. “É difícil explicar como esses quasars puderam crescer tanto se parecem não ter nada do que se alimentar.”
Há a possibilidade de que esses quasars não sejam tão solitários quanto parecem, mas que estejam cercados por galáxias que estão fortemente encobertas por poeira e, portanto, ocultas da vista. Eilers e seus colegas esperam ajustar suas observações para tentar ver através dessa poeira cósmica, a fim de entender como os quasars cresceram tanto, tão rápido, no início do universo.
Eilers e seus colegas relatam suas descobertas em um artigo publicado no Astrophysical Journal. Os co-autores do MIT incluem os pós-doutorandos Rohan Naidu e Minghao Yue; Robert Simcoe, professor Francis Friedman de Física e diretor do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT; e colaboradores de instituições como a Universidade de Leiden, a Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, ETH Zurique, entre outras.
Vizinhos galácticos
Os cinco quasars recém-observados estão entre os mais antigos já registrados. Com mais de 13 bilhões de anos, acredita-se que esses objetos tenham se formado entre 600 a 700 milhões de anos após o Big Bang. Os buracos negros supermassivos que alimentam os quasars têm uma massa um bilhão de vezes maior que a do sol e são mais de um trilhão de vezes mais brilhantes. Devido à sua luminosidade extrema, a luz de cada quasar conseguiu viajar ao longo da história do universo, o que permitiu que chegasse aos detectores altamente sensíveis do JWST hoje.
“É simplesmente fenomenal que agora temos um telescópio que pode capturar a luz de 13 bilhões de anos atrás em tantos detalhes,” diz Eilers. “Pela primeira vez, o JWST nos permitiu olhar para o ambiente desses quasars, onde eles se formaram e como era seu vizinhança.”
A equipe analisou imagens dos cinco quasars antigos capturadas pelo JWST entre agosto de 2022 e junho de 2023. As observações de cada quasar consistiram em várias imagens “mosaico” ou visões parciais do campo do quasar, que a equipe uniu efetivamente para produzir uma imagem completa do entorno de cada quasar.
O telescópio também fez medições da luz em múltiplos comprimentos de onda em todo o campo de cada quasar, que a equipe processou para determinar se um determinado objeto no campo era luz de uma galáxia vizinha e quão longe uma galáxia estava do quasar central, muito mais luminoso.
“Descobrimos que a única diferença entre esses cinco quasars é que seus ambientes parecem muito diferentes,” diz Eilers. “Por exemplo, um quasar tem quase 50 galáxias ao seu redor, enquanto outro tem apenas duas. E ambos os quasars estão dentro do mesmo tamanho, volume, brilho e época do universo. Isso foi realmente surpreendente de ver.”
Crescimentos repentinos
A disparidade nos campos dos quasars introduz uma quebra na imagem padrão do crescimento de buracos negros e da formação de galáxias. Segundo a melhor compreensão dos físicos sobre como os primeiros objetos do universo surgiram, uma teia cósmica de matéria escura deveria ter estabelecido o curso. A matéria escura é uma forma ainda desconhecida de matéria que não tem outras interações com seu entorno além da gravidade.
Logo após o Big Bang, acredita-se que o universo primitivo tenha formado filamentos de matéria escura que atuaram como uma espécie de estrada gravitacional, atraindo gás e poeira ao longo de seus tentáculos. Em regiões excessivamente densas dessa teia, a matéria teria se acumulado para formar objetos mais massivos. E os objetos mais brilhantes e massivos, como os quasars, teriam se formado nas regiões de maior densidade da teia, que também teriam produzido muitas galáxias menores.
“A teia cósmica de matéria escura é uma previsão sólida do nosso modelo cosmológico do Universo, e pode ser descrita em detalhes usando simulações numéricas,” diz Elia Pizzati, coautor e estudante de pós-graduação na Universidade de Leiden. “Ao comparar nossas observações com essas simulações, podemos determinar onde na teia cósmica os quasars estão localizados.”
Os cientistas estimam que os quasars teriam que ter crescido continuamente com taxas de acreção muito altas para alcançar as massas extremas e luminosidades nos tempos em que os astrônomos os observaram, menos de 1 bilhão de anos após o Big Bang.
“A principal pergunta que estamos tentando responder é como esses buracos negros de um bilhão de massas solares se formam em um momento em que o universo ainda é muito, muito jovem? Ele ainda está em sua infância,” diz Eilers.
As descobertas da equipe podem levantar mais perguntas do que respostas. Os quasars “solitários” parecem viver em regiões relativamente vazias do espaço. Se os modelos cosmológicos dos físicos estiverem corretos, essas regiões áridas significam muito pouca matéria escura ou material inicial para a formação de estrelas e galáxias. Como, então, esses quasars extremamente brilhantes e massivos vieram a existir?
“Nossos resultados mostram que ainda falta uma peça significativa do quebra-cabeça sobre como esses buracos negros supermassivos crescem,” diz Eilers. “Se não há material suficiente ao redor para que alguns quasars possam crescer continuamente, isso significa que deve haver alguma outra maneira de eles crescerem, que ainda não conseguimos descobrir.”
Essa pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Conselho Europeu de Pesquisa.
Reproduzido com permissão do MIT News.
