Os quasares estão entre os objetos mais brilhantes e poderosos do universo. São alimentados por buracos negros supermassivos que devoram o material circundante no centro das galáxias, produzindo tanta energia que podem ser vistos a milhares de milhões de anos-luz de diâmetro.
Agora, uma equipa internacional de investigadores identificou 31 dos quasares mais antigos já descobertos, incluindo dois dos exemplos mais antigos conhecidos. Estes objetos extraordinários já brilhavam com cerca de um bilião de sóis de luz quando o Universo tinha apenas 670 milhões de anos. Descobertas, publicadas Astronomia e AstrofísicaFornece um vislumbre sem precedentes de um dos capítulos mais antigos da história cósmica
“Estes objetos fornecem as melhores pistas para a compreensão de como se formam os buracos negros supermassivos”, disse o co-autor Joseph Henavi, professor de física com nomeações conjuntas na UC Santa Barbara e na Universidade de Leiden. “Esses gigantes – pesando bilhões de vezes a massa do nosso Sol – de alguma forma já existiam quando o universo estava em sua infância. Ainda não temos uma boa ideia de como eles ficaram tão grandes, tão rápido.”
Por que os quasares antigos são tão difíceis de encontrar?
Durante décadas, os astrônomos procuraram os quasares mais antigos do universo porque eles armazenam informações valiosas sobre como surgiram as primeiras galáxias e buracos negros supermassivos.
Encontrá-los, no entanto, é excepcionalmente desafiador. Os quasares formados menos de 770 milhões de anos após o Big Bang são extremamente incomuns porque apenas um pequeno número de galáxias cresceu o suficiente para hospedá-los. A sua luz fraca é facilmente confundida com estrelas muito mais próximas da nossa galáxia.
Outro obstáculo vem da expansão do universo. À medida que o espaço se expande ao longo de milhares de milhões de anos, a luz destes quasares distantes muda do ultravioleta para o infravermelho próximo. A atmosfera da Terra brilha naturalmente nestes comprimentos de onda, tornando mais difícil para os telescópios terrestres detectarem tais objetos fracos.
Os astrónomos utilizam este efeito, conhecido como desvio para o vermelho, para estimar a distância e a idade. Quanto maior o desvio para o vermelho, mais longe e mais cedo na história cósmica um objeto aparece. “Um desvio para o vermelho de 7 leva-nos a quando o Universo tinha apenas 750 milhões de anos, menos de 6% da sua idade atual”, disse Henavi.
“Estas duas coisas tornam incrivelmente difícil encontrar quasares a esta distância,” disse o principal autor do estudo, Deming Yang, estudante de doutoramento no grupo de Henavir na Universidade de Leiden. “Para cada uma delas existem milhares de estrelas na nossa Via Láctea e em galáxias próximas que parecem quase idênticas em rastreios de imagens. E como a sua luz se estende até ao infravermelho, precisamos de um rastreio que seja suficientemente amplo para captar estes objetos raros e suficientemente profundo para detetar a sua luz ténue.”
Devido a estas limitações, a exploração a partir da superfície da Terra é quase impossível. As observações do espaço fornecem visões muito mais claras.
O Telescópio Espacial Euclides encontrou 31 quasares antigos
A Agência Espacial Europeia lançou o Telescópio Espacial Euclides em 2023 para sondar o universo durante este período crucial. Operando acima da atmosfera da Terra, o Euclid evita o brilho infravermelho que limita as observações terrestres enquanto examina grandes áreas do céu a profundidades extraordinárias.
Usando dados do Euclid Wide Survey, os pesquisadores identificaram 31 novos quasares sem precedentes do universo primitivo. Depois de concluída, a pesquisa mapeará mais de um terço de todo o céu. Alguns desses quasares recém-descobertos datam de uma época em que o universo tinha cerca de 5% da sua idade atual.
Até agora, os astrônomos detectaram principalmente quasares antigos raros e brilhantes, deixando muito poucos exemplos para estudar a população de quasares primitivos como um todo.
“Euclides é uma verdadeira virada de jogo”, disse Deming. “Anteriormente, só conseguíamos encontrar um punhado de quasares antigos muito brilhantes, mas o Euclides permite-nos pesquisar de forma muito mais eficiente em grandes áreas do céu para capturar luz muito mais fraca. É uma ferramenta única para a caça de quasares.”
Uma janela para os primeiros bilhões de anos do universo
Os pesquisadores examinaram recentemente o segundo quasar mais antigo da nova coleção com mais detalhes. Eles descobriram que estava dentro de uma galáxia empoeirada e rica em gás, passando por uma violenta explosão de formação estelar, fornecendo novas pistas sobre o ambiente em que os primeiros buracos negros supermassivos cresceram.
Estes quasares recém-descobertos vêm de um período crítico conhecido como Era da Regeneração, quando as primeiras estrelas e galáxias ionizaram o gás hidrogénio neutro que outrora preenchia o Universo primitivo. Esta era moldou a evolução do universo subsequente.
Dos 31 quasares recém-descobertos, 14 têm desvios para o vermelho de 7 ou mais. Os dois mais antigos têm desvios para o vermelho de 7,69 e 7,77, o que os torna os quasares mais antigos já detectados. Localizadas a apenas 13 mil milhões de anos-luz de distância, parecem ter existido durante os primeiros 670 milhões de anos do Universo. Também superaram o recorde anterior estabelecido pelo grupo de investigação Henavir em 2021.
“Cada passo ao longo do tempo torna tudo mais intrigante: como o universo criou buracos negros supermassivos tão rapidamente?” Henavi disse. “Estamos encontrando buracos negros com milhões de vezes a massa do nosso Sol quando o universo mal estava começando.”
Olhando mais profundamente na história cósmica
Os astrónomos avançaram continuamente na história cósmica através de uma combinação de melhores telescópios e técnicas de pesquisa mais sofisticadas. Demorou mais de uma década para descobrir aproximadamente os primeiros 10 quasares com desvios para o vermelho de 7 ou mais. Euclides já tinha encontrado mais do que isso num ano, mais do que duplicando a população conhecida destes objetos muito antigos.
O aprendizado de máquina também se tornou uma parte essencial da pesquisa. De acordo com Henavi, algoritmos avançados podem agora examinar milhões de fontes astronómicas e distinguir os poucos quasares genuínos do esmagador número de estrelas e galáxias.
A equipe de Henavi passou anos desenvolvendo muitos dos algoritmos usados nessas descobertas. Ele também liderou o desenvolvimento do PypeIt, software que os astrônomos da Universidade da Califórnia usam para processar observações coletadas pelo Telescópio Keck. Com acesso às observações da Universidade da Califórnia, Keck confirmou dois terços dos quasares recém-descobertos, incluindo os três exemplos mais distantes.
Os investigadores pretendem agora descobrir o primeiro quasar conhecido além do desvio para o vermelho de 8, o que revelaria um objeto que existiu nos primeiros 630 milhões de anos do Universo.
James Webb e Alma estudarão esses gigantes antigos
Encontrar esses quasares é apenas o começo. A equipe já garantiu tempo de observação com o Telescópio Espacial James Webb para investigar muitos deles em detalhes. Observações futuras irão medir a massa dos seus buracos negros, analisar a química do gás circundante e usar a sua luz para determinar como a reionização se desenvolveu em todo o jovem Universo.
Entretanto, o Atacama Large Millimeter Array estudará a poeira, o gás e a formação de estrelas no interior das galáxias que acolhem estes antigos quasares, fornecendo uma imagem mais clara de como evoluíram as primeiras galáxias massivas.
“A visão mais ampla é juntar tudo isto numa linha temporal coerente”, disse Henavi: “uma crónica de quasar do primeiro milhar de milhão de anos”.
Daming Yang, Antoine Basset e Jean-Charles Quilandre do Euclid Consortium contribuíram para esta história.
