Quasar com cintilação a 850 milhões de anos após o Big Bang intriga astrónomos

Um novo lampejo detectado em um quasar muito antigo chamou a atenção de astrónomos. O sinal vem de apenas 850 milhões de anos após o Big Bang, o que o torna o quasar cintilante mais antigo já observado.

Mais do que uma curiosidade de registo, essa cintilação revelou algo inesperado sobre um dos primeiros buracos negros supermassivos do Universo.

Quasares estão entre os objetos mais brilhantes que existem. Eles surgem quando um buraco negro supermassivo atrai quantidades enormes de gás e poeira.

À medida que esse material espirala para dentro, ele aquece e liberta energia em escalas colossais. Alguns quasares brilham com tanta intensidade que chegam a superar o brilho das galáxias onde se encontram.

Quasares no amanhecer cósmico

Cientistas do MIT e de várias instituições parceiras rastrearam o quasar recém-estudado até a época que astrónomos chamam de amanhecer cósmico.

Essa descoberta trouxe uma oportunidade rara: ir além de um ponto de luz distante e inferir características do próprio buraco negro.

“Embora muitos quasares já tenham sido encontrados no amanhecer cósmico, esta é a primeira vez que de facto vemos um a cintilar”, disse Gene Leung, pós-doutorando no MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

A influência dos buracos negros

Buracos negros supermassivos ficam no centro das galáxias, incluindo a Via Láctea. Alguns têm milhões - ou até milhares de milhões - de vezes a massa do Sol.

O alcance da sua influência vai muito além do entorno imediato, contribuindo para moldar como as galáxias crescem e formam estrelas.

“Sem buracos negros supermassivos, nenhuma galáxia teria a aparência que tem hoje”, afirmou Anna-Christina Eilers, professora assistente de Física no MIT. “Os buracos negros desempenham um papel fundamental em moldar como os ecossistemas galácticos se parecem.”

Por que uma cintilação importa

Durante anos, astrónomos presumiram que buracos negros supermassivos precisavam de mais de mil milhões de anos para se desenvolver.

As observações, porém, puseram essa ideia em xeque. Já foram identificados mais de 200 buracos negros supermassivos dentro do primeiro mil milhões de anos do Universo.

O desafio é que esses objetos muito distantes quase sempre aparecem como minúsculos pontos de luz. Dá para confirmar que existem, mas é muito mais difícil obter detalhes sobre a sua estrutura.

A cintilação muda esse cenário. Oscilações no brilho podem expor o que está a acontecer no disco de gás e poeira que alimenta um buraco negro.

“As pessoas sabem há muito tempo que quasares no Universo próximo podem cintilar”, disse Leung. “A cintilação vem de flutuações na forma como o gás está a ser fornecido ao buraco negro.”

“E a forma como um quasar cintila diz-nos algo sobre a estrutura do disco de acreção do buraco negro e sobre o tipo de ‘mordidas’ que o buraco negro está a dar.”

Olhando para mais de 13 mil milhões de anos no passado

Detetar uma cintilação num objeto tão antigo não foi simples. À medida que o Universo se expande, a luz de objetos distantes estica-se para comprimentos de onda maiores.

Esse fenómeno, chamado desvio para o vermelho (redshift), também alonga a escala temporal dos eventos. Uma mudança de brilho que ocorre ao longo de semanas pode parecer durar meses quando observada a partir de milhares de milhões de anos-luz de distância.

Para capturar o sinal, a equipa precisou de anos de medições no infravermelho. Para isso, recorreu a dados obtidos pelo Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer, da NASA, conhecido pela sigla NEOWISE.

Esse telescópio espacial voltou a varrer o céu repetidas vezes ao longo de cerca de 14 anos.

Depois de reprocessar as observações arquivadas, os pesquisadores encontraram um quasar de 850 milhões de anos após o Big Bang que apresentava variações claras de brilho ao longo do tempo.

“Vimos o quasar a cintilar aleatoriamente ao longo do período de 14 anos, muito parecido com a chama de uma vela a tremular sem um padrão fixo”, observou Leung.

Estima-se que o quasar tenha um brilho equivalente ao de 12 biliões de sóis. A sua luminosidade varia cerca de 20%, o que corresponde aproximadamente a 2 biliões de sóis.

Um mistério antigo fica ainda mais profundo

A cintilação trouxe outra surpresa. Ao analisar como o brilho do quasar mudava em diferentes comprimentos de onda, a equipa mapeou a estrutura do disco de acreção em torno do buraco negro.

Como comprimentos de onda distintos são emitidos por material em temperaturas diferentes, astrónomos conseguem estimar como a matéria está organizada ao redor do buraco negro.

O resultado foi inesperado: o disco de acreção parecia fino e plano.

Esse formato é comum em torno de buracos negros mais velhos e já amadurecidos no Universo próximo. A expectativa era que buracos negros primordiais estivessem a alimentar-se de forma agressiva, cercados por discos mais espessos e turbulentos.

Em vez disso, esse objeto antigo já aparentava estar notavelmente estabilizado.

“Isto fornece evidência direta de que os mesmos processos e estruturas de alimentação observados no Universo próximo já estavam em vigor em tempos muito iniciais, apesar de ambientes cósmicos muito diferentes, algo que nunca tinha sido visto antes”, disse Eilers.

“Isto significa que algo aconteceu ainda mais cedo, levando estes sistemas a parecerem tão maduros”, acrescenta Leung.

A corrida para compreender gigantes cósmicos

A descoberta levanta novas questões sobre como buracos negros supermassivos conseguem crescer tão depressa.

Em geral, astrónomos assumem que buracos negros passam por períodos caóticos de crescimento rápido antes de se tornarem sistemas estáveis.

O quasar agora observado sugere que essas fases dramáticas podem ocorrer muito antes do que se imaginava.

“Acho que o que isto sugere é que todas as fases confusas, de crescimento muito rápido, pelas quais esperamos que todos os buracos negros passem em algum momento, acontecem muito, muito cedo, antes de os vermos como estes quasares muito brilhantes e luminosos”, disse Eilers. “Esse é o quadro que está a emergir.”

Agora, os cientistas esperam encontrar quasares ainda mais jovens e acompanhar os estágios mais iniciais do desenvolvimento de buracos negros.

Cada nova observação acrescenta uma pista sobre como alguns dos maiores e mais poderosos objetos do Universo surgiram tão pouco tempo depois do Big Bang.

A resposta pode estar escondida numa cintilação ainda mais antiga, à espera de ser descoberta.

O estudo completo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech