Tremular de um quasar de 850 milhões de anos após o Big Bang revela buraco negro supermassivo

Um tremular recém-detectado vindo de um quasar muito antigo chamou a atenção de astrónomos. O sinal parte de apenas 850 milhões de anos após o Big Bang, tornando-o o quasar cintilante mais precoce já observado.

Mais do que um marco de “primeira vez”, essa oscilação de brilho expôs algo inesperado sobre um dos primeiros buracos negros supermassivos do Universo.

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

À medida que esse material espirala para dentro, aquece intensamente e libera energia em volumes enormes. Alguns quasares brilham tanto que chegam a superar em luminosidade as galáxias que os abrigam.

Quasares na aurora cósmica

Cientistas do MIT e de várias instituições parceiras rastrearam o quasar agora analisado até a época que astrónomos chamam de aurora cósmica.

Essa detecção abriu uma oportunidade rara: ir além de um ponto distante de luz e extrair informações sobre o próprio buraco negro.

“Embora muitos quasares tenham sido encontrados na aurora cósmica, esta é a primeira vez que realmente vemos um deles tremular”, disse Gene Leung, pós-doutorando do MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

A influência dos buracos negros

Buracos negros supermassivos ocupam os centros de galáxias, inclusive o da Via Láctea. Alguns reúnem milhões - ou até bilhões - de vezes a massa do Sol.

O efeito deles vai muito além das vizinhanças imediatas, ajudando a determinar como as galáxias crescem e como 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 têm um papel importante em moldar como são os ecossistemas galácticos.”

Por que um tremular importa

Durante anos, astrónomos presumiram que buracos negros supermassivos precisariam de mais de 1 bilhão de anos para se desenvolver.

As observações passaram a contrariar essa ideia. Já foram identificados mais de 200 buracos negros supermassivos dentro do primeiro bilhão de anos do Universo.

O desafio é que esses objetos tão distantes quase sempre se parecem com minúsculos pontos de luz. É possível confirmar que estão lá, mas é muito mais difícil descobrir detalhes da sua estrutura.

É aí que a cintilação muda o jogo. Oscilações no brilho podem indicar o que está a acontecer no disco de gás e poeira que alimenta um buraco negro.

“As pessoas já sabiam que quasares no Universo próximo podem tremular”, disse Leung. “O tremular vem de flutuações na forma como o gás está sendo fornecido ao buraco negro.”

“E a maneira como um quasar tremula nos diz algo sobre a estrutura do disco de acreção do buraco negro e sobre o tipo de ‘mordidas’ que o buraco negro está dando.”

Olhando para mais de 13 bilhões de anos no passado

Capturar o tremular de um objeto tão antigo não foi simples. Com a expansão do Universo, a luz de fontes muito distantes se estica para comprimentos de onda maiores.

Esse efeito, chamado de desvio para o vermelho, também dilata a escala de tempo dos eventos. Uma mudança de brilho que ocorre ao longo de semanas pode parecer levar meses quando observada a bilhões de anos-luz de distância.

Para detectar o sinal, a equipa precisou de anos de medições no infravermelho. Eles recorreram a dados do Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer (NEOWISE), da NASA.

O telescópio espacial varreu o céu repetidamente por cerca de 14 anos.

Após reprocessar as observações de arquivo, os pesquisadores encontraram um quasar de 850 milhões de anos após o Big Bang com variações claras de brilho ao longo do tempo.

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

A estimativa é que o quasar seja tão luminoso quanto 12 trilhões de sóis. O brilho oscila cerca de 20 por cento, o equivalente a aproximadamente 2 trilhões de sóis.

Um mistério antigo fica ainda mais profundo

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

Como comprimentos de onda distintos vêm de material a temperaturas diferentes, isso permite estimar como a matéria está organizada ao redor do buraco negro.

O que apareceu no mapa não era o que se esperava: o disco de acreção parecia fino e achatado.

Esse tipo de geometria é comum em buracos negros mais velhos e mais maduros no Universo próximo. Já para buracos negros primordiais, a expectativa era de alimentação agressiva, com discos mais espessos e mais turbulentos.

Em vez disso, esse objeto remoto já parecia surpreendentemente estável.

“Isso 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 havia sido visto antes”, disse Eilers.

“Isso significa que algo aconteceu ainda mais cedo que levou esses sistemas a parecerem tão maduros”, acrescenta Leung.

A corrida para entender gigantes cósmicos

A descoberta reacende perguntas sobre como buracos negros supermassivos conseguem crescer tão depressa.

De modo geral, astrónomos assumem que buracos negros atravessam fases caóticas de crescimento acelerado antes de se estabilizarem em sistemas mais regulares.

O quasar agora observado sugere que esses períodos dramáticos podem ocorrer bem mais cedo do que se imaginava.

“Eu acho que isso sugere que todas as fases bagunçadas, de crescimento muito rápido, pelas quais esperamos que todos os buracos negros passem em algum momento acontecem muito, muito cedo, antes de nós os vermos como esses 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 após o Big Bang.

A resposta pode estar escondida em um tremular ainda mais antigo, à espera de ser encontrado.

O estudo completo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech