Os quasares parecem ter poucos vizinhos cósmicos, levantando questões sobre como surgiram há mais de 13 mil milhões de anos.
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 absorve o gás e a poeira circundantes, liberta uma enorme quantidade de energia, tornando os quasares alguns dos objetos mais brilhantes do Universo. Quasares foram observados algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang, e tem sido um mistério como esses objetos poderiam ter crescido tão brilhantes e massivos em tão pouco tempo cósmico.
Os cientistas propuseram que os primeiros quasares surgiram de regiões excessivamente densas de matéria primordial, o que também teria produzido muitas galáxias menores no ambiente dos quasares. Mas num novo estudo liderado pelo MIT, os astrónomos observaram alguns quasares antigos que parecem estar surpreendentemente isolados no Universo primitivo.
Os astrónomos usaram o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA para retroceder no tempo, mais de 13 mil milhões de anos, para estudar o ambiente cósmico de cinco quasares antigos conhecidos. Eles encontraram uma variedade surpreendente em suas vizinhanças, ou “campos de quasar”. Embora alguns quasares residam em campos muito populosos com mais de 50 galáxias vizinhas, como todos os modelos prevêem, os restantes quasares parecem flutuar em vazios, com apenas algumas galáxias dispersas na sua vizinhança.
Estes quasares solitários estão a desafiar a compreensão dos físicos sobre como é que tais objetos luminosos se poderiam ter formado tão cedo no Universo, sem uma fonte significativa de matéria circundante para alimentar o crescimento do seu buraco negro.
“Ao contrário da crença anterior, descobrimos que, em média, estes quasares não estão necessariamente nas regiões de maior densidade do Universo primitivo. Alguns deles parecem estar no meio do nada,” afirma Anna-Christina Eilers, professora assistente de física no MIT. “É difícil explicar como é que estes quasares podem ter crescido tanto se parecem não ter nada de que se alimentar.”
Existe a possibilidade de que estes quasares não sejam tão solitários como parecem, mas sim rodeados por galáxias fortemente envoltas em poeira e, portanto, escondidas da vista. Eilers e os seus colegas esperam ajustar as suas observações para tentar ver através de qualquer poeira cósmica, a fim de compreender como é que os quasares cresceram tão grandes e tão rapidamente no Universo primitivo.
Eilers e seus colegas relatam suas descobertas em um artigo publicado hoje no Jornal Astrofísico. Os coautores do MIT incluem os pós-doutorandos Rohan Naidu e Minghao Yue; Robert Simcoe, professor de física Francis Friedman 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, a ETH Zurique e outros lugares.
Vizinhos galácticos
Os cinco quasares recentemente observados estão entre os quasares mais antigos observados até hoje. Com mais de 13 mil milhões de anos, pensa-se que os objetos se formaram entre 600 e 700 milhões de anos após o Big Bang. Os buracos negros supermassivos que alimentam os quasares são mil milhões de vezes mais massivos que o Sol e mais de um bilião de vezes mais brilhantes. Devido à sua extrema luminosidade, a luz de cada quasar é capaz de viajar ao longo da idade do universo, longe o suficiente para alcançar os atuais detectores altamente sensíveis do JWST.
“É simplesmente fenomenal que agora tenhamos um telescópio capaz de captar luz de há 13 mil milhões de anos com tantos detalhes”, diz Eilers. “Pela primeira vez, o JWST permitiu-nos observar o ambiente destes quasares, onde cresceram e como era a sua vizinhança.”
A equipe analisou imagens dos cinco quasares antigos obtidas pelo JWST entre agosto de 2022 e junho de 2023. As observações de cada quasar compreenderam múltiplas imagens de “mosaico”, ou vistas parciais do campo do quasar, que a equipe efetivamente uniu para produzir uma imagem completa. da vizinhança circundante de cada quasar.
O telescópio também fez medições de luz em múltiplos comprimentos de onda através do campo de cada quasar, que a equipe então processou para determinar se um determinado objeto no campo era luz de uma galáxia vizinha e a que distância uma galáxia está do quasar central, muito mais luminoso.
“Descobrimos que a única diferença entre estes cinco quasares é que os 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 quasares têm o mesmo tamanho, volume, brilho e tempo do universo. Isso foi realmente surpreendente de ver.”
Surtos de crescimento
A disparidade nos campos de quasares introduz uma distorção na imagem padrão do crescimento de buracos negros e da formação de galáxias. De acordo com a melhor compreensão dos físicos sobre como surgiram os primeiros objetos no universo, uma teia cósmica de matéria escura deveria ter definido o curso. A matéria escura é uma forma de matéria ainda desconhecida que não tem outras interações com o ambiente além da gravidade.
Pouco depois do Big Bang, pensa-se que o Universo primitivo formou filamentos de matéria escura que funcionaram como uma espécie de estrada gravitacional, atraindo gás e poeira ao longo dos seus tentáculos. Em regiões excessivamente densas desta teia, a matéria teria se acumulado para formar objetos mais massivos. E os objetos iniciais mais brilhantes e massivos, como os quasares, teriam se formado nas regiões de maior densidade da teia, o que também teria produzido muito mais galáxias menores.
“A teia cósmica de matéria escura é uma previsão sólida do nosso modelo cosmológico do Universo e pode ser descrita em detalhe através de simulações numéricas”, diz a coautora Elia Pizzati, estudante de pós-graduação na Universidade de Leiden. “Ao comparar as nossas observações com estas simulações, podemos determinar onde os quasares estão localizados na web cósmica.”
Os cientistas estimam que os quasares teriam de crescer continuamente com taxas de acreção muito elevadas para atingirem massa e luminosidades extremas nos momentos em que os astrónomos os observaram, menos de mil milhões de anos após o Big Bang.
“A principal questão que estamos a tentar responder é: como é que estes buracos negros com milhares de milhões de massas solares se formam numa altura em que o Universo ainda é muito, muito jovem? Ainda está na sua infância,” diz Eilers.
As descobertas da equipe podem levantar mais perguntas do que respostas. Os quasares “solitários” parecem viver em regiões relativamente vazias do espaço. Se os modelos cosmológicos dos físicos estiverem corretos, estas regiões áridas significam muito pouca matéria escura ou matéria-prima para a formação de estrelas e galáxias. Como, então, surgiram quasares extremamente brilhantes e massivos?
“Os nossos resultados mostram que ainda falta uma peça significativa do puzzle sobre como estes buracos negros supermassivos crescem”, diz Eilers. “Se não existe material suficiente para que alguns quasares possam crescer continuamente, isso significa que deve haver alguma outra forma de crescerem, que ainda temos de descobrir.”