Quasar a cintilar 850 milhões de anos após o Big Bang revela surpresa sobre buraco negro supermassivo

Um brilho intermitente recentemente identificado num quasar muito antigo chamou a atenção dos astrónomos. O sinal vem de apenas 850 milhões de anos após o Big Bang, o que o torna o quasar a cintilar mais antigo alguma vez observado.

Mais do que a data recorde, esta cintilação expôs algo inesperado sobre um dos primeiros buracos negros supermassivos do Universo.

Os quasares estão entre os objectos mais luminosos que existem. Surgem quando um buraco negro supermassivo atrai quantidades enormes de gás e poeira.

À medida que esse material cai em espiral para o interior, aquece e liberta energia em escalas gigantescas. Alguns quasares brilham com tal intensidade que chegam a ofuscar as galáxias onde residem.

Quasares na aurora cósmica

Investigadores do MIT e de várias instituições parceiras recuaram este quasar agora analisado até ao período a que os astrónomos chamam aurora cósmica.

Esta detecção deu uma oportunidade rara: em vez de ser apenas mais um ponto de luz muito distante, permitiu inferir características do próprio buraco negro.

“Embora tenham sido encontrados muitos quasares na aurora cósmica, esta é a primeira vez que vemos, de facto, um a cintilar”, afirmou Gene Leung, pós-doutorado no Instituto Kavli do MIT para Astrofísica e Investigação Espacial.

A influência dos buracos negros

No centro das galáxias - incluindo a Via Láctea - encontram-se buracos negros supermassivos. Alguns atingem massas de milhões, ou mesmo milhares de milhões, de vezes a massa do Sol.

O seu impacto não se limita às imediações: ajuda a determinar como as galáxias crescem e como formam estrelas.

“Sem buracos negros supermassivos, nenhuma galáxia teria o aspecto que tem hoje”, disse Anna-Christina Eilers, professora assistente de Física no MIT. “Os buracos negros têm um papel de grande importância na forma como são os ecossistemas galácticos.”

Porque é que uma cintilação importa

Durante anos, muitos astrónomos assumiram que os buracos negros supermassivos precisavam de mais de mil milhões de anos para se desenvolverem.

As observações têm vindo a contrariar essa ideia. Já foram identificados mais de 200 buracos negros supermassivos dentro do primeiro milhar de milhões de anos do Universo.

O desafio é que, a estas distâncias, estes objectos costumam aparecer como pontos minúsculos de luz. Os cientistas conseguem confirmar que existem, mas é muito mais difícil obter detalhes sobre a sua estrutura.

É aqui que a cintilação muda o jogo. As variações de brilho podem revelar o que se passa no disco de gás e poeira que alimenta um buraco negro.

“As pessoas já sabiam que os quasares no Universo próximo podem cintilar”, disse Leung. “A cintilação vem de flutuações na forma como o gás está a ser alimentado para dentro do buraco negro.”

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

Olhar para trás mais de 13 mil milhões de anos

Detectar uma cintilação num objecto tão antigo não foi simples. À medida que o Universo se expande, a luz de fontes muito distantes estica-se para comprimentos de onda maiores.

Este fenómeno, conhecido como desvio para o vermelho, também alonga a escala temporal dos acontecimentos. Uma alteração de brilho que ocorre ao longo de semanas pode parecer durar meses quando observada a milhares de milhões de anos-luz de distância.

Para captar este sinal, a equipa precisou de anos de observações no infravermelho. Recorreu a dados do NEOWISE, da NASA - o Explorador de Infravermelhos de Grande Campo para Objectos Próximos da Terra. Este telescópio espacial varreu repetidamente o céu durante cerca de 14 anos.

Depois de reprocessarem as observações de arquivo, os investigadores identificaram um quasar de 850 milhões de anos após o Big Bang com variações claras de brilho ao longo do tempo.

“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”, assinalou Leung.

Estima-se que o quasar seja tão brilhante como 12 biliões de sóis. A sua luminosidade oscila cerca de 20 por cento, o equivalente a aproximadamente 2 biliões de sóis.

Um velho mistério torna-se mais profundo

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

Como comprimentos de onda distintos são emitidos por material a temperaturas diferentes, isto permite aos astrónomos estimar como a matéria está distribuída à volta do buraco negro.

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

Esse formato é frequente em buracos negros mais velhos e mais “maduros” no Universo próximo. Para buracos negros primordiais, os cientistas esperavam uma alimentação mais agressiva, com discos mais espessos e turbulentos.

Em vez disso, este objecto antigo já apresentava um aspecto surpreendentemente estabilizado.

“Isto fornece evidência directa de que os mesmos processos de alimentação e estruturas observados no Universo próximo já existiam em épocas muito precoces, apesar de ambientes cósmicos muito diferentes, o que nunca tinha sido visto antes”, afirmou Eilers.

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

A corrida para compreender gigantes cósmicos

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

De forma geral, os astrónomos têm assumido que os buracos negros atravessam fases caóticas de crescimento rápido antes de assentarem em sistemas estáveis.

Este quasar agora observado sugere que essas fases dramáticas poderão ocorrer muito mais cedo do que se pensava.

“Penso que isto sugere 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. “É essa a imagem que está a emergir.”

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

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

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

O estudo completo foi publicado na revista Nature Astronomy.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech