Novas revelações sobre o universo primordial: Telescópio Espacial Euclid descobre 31 novos quasares, incluindo o mais distante já observado

Um núcleo galáctico ativo (active galactic nucleus – AGN) é a região central de uma galáxia onde um buraco negro supermassivo acumula matéria proveniente de suas vizinhanças.

À medida que esse material espirala em direção ao buraco negro, forma-se um disco de acreção, cujo intenso aquecimento produz radiação em praticamente todo o espectro eletromagnético. Em muitos casos, parte da matéria também é acelerada por campos magnéticos e ejetada na forma de jatos relativísticos — feixes de partículas carregadas que emergem a velocidades próximas à da luz aproximadamente na direção perpendicular ao disco de acreção. As galáxias que abrigam esse tipo de núcleo são chamadas de galáxias ativas.

Os quasares representam a classe mais luminosa dos AGN. Quando observados a grandes distâncias, seu brilho pode superar o da própria galáxia hospedeira em dezenas ou até centenas de vezes, dificultando a observação dessa galáxia.

Quando esses objetos foram descobertos, sua aparência pontual levou os astrônomos a acreditar que se tratavam de estrelas. Por essa razão, receberam o nome quasi-stellar radio source ("fonte de rádio quase estelar"), posteriormente abreviado para quasar e frequentemente representado pela sigla QSO (quasi-stellar object).

Em artigo publicado em 6 de julho na edição digital da Astronomy & Astrophysics (link nas referências), um grupo de cientistas liderado pelo astrônomo Daming Yang, doutorando da Universidade de Leiden (Países Baixos), apresentou a descoberta de 31 novos quasares utilizando imagens obtidas pelo telescópio espacial Euclid durante os primeiros 1,5 anos da missão Euclid Wide Survey. Os objetos identificados apresentam redshifts entre 6,6 e 7,8. Mas o que isso significa?

O redshift (z) é uma medida do desvio para o vermelho observado na luz emitida por um objeto celeste em consequência da expansão do universo. Quanto maior o valor de z, mais distante está o objeto observado e mais antiga é a época do universo em que essa luz foi emitida. Assim, observar um quasar com alto redshift significa enxergá-lo como era quando o universo ainda tinha apenas algumas centenas de milhões de anos.

Entre os objetos identificados, um deles apresentou z = 7,7, indicando que sua luz foi emitida quando o universo tinha aproximadamente 670 milhões de anos, apenas 5% de sua idade atual. Em outras palavras, trata-se de um objeto que já existia nos primeiros capítulos da história cósmica, cujo núcleo emitia uma luminosidade equivalente à de um trilhão de sóis.

A descoberta de quasares com redshifts tão elevados surpreendeu os astrônomos porque indica que buracos negros supermassivos já existiam quando o universo ainda era muito jovem. Isso desafia os modelos atuais sobre como esses objetos se formam e crescem ao longo do tempo. Quanto maior o número de quasares conhecidos nessa época remota, mais difícil se torna explicar sua existência como casos excepcionais.

Em geral, acredita-se que muitos buracos negros tenham origem no colapso gravitacional de estrelas muito massivas ao final de suas vidas. A partir daí, eles podem aumentar sua massa pela acreção de gás e poeira ou, eventualmente, pela fusão com outros buracos negros durante colisões entre galáxias.

Entretanto, esses mecanismos de crescimento são relativamente lentos. No caso da acreção, existe um limite físico conhecido como limite de Eddington, segundo o qual a intensa radiação produzida pelo disco de acreção pode impedir que o buraco negro acumule matéria em taxas cada vez maiores. Já as fusões entre buracos negros dependem de colisões entre galáxias e de processos dinâmicos que se desenvolvem ao longo de milhões ou bilhões de anos.

Por isso, de acordo com os modelos teóricos atuais, não haveria tempo suficiente para que buracos negros atingissem massas tão elevadas nos primeiros centenas de milhões de anos após o Big Bang. No entanto, os quasares observados pelo Euclid mostram que esses gigantes cósmicos já existiam nessa época extremamente remota, indicando que sua formação e crescimento podem ter ocorrido de maneira mais rápida ou mais eficiente do que se imaginava.

Esse é, na verdade, um dos maiores desafios da astrofísica contemporânea e poderá exigir importantes refinamentos nos modelos que descrevem a formação e a evolução dos primeiros buracos negros supermassivos. Algumas hipóteses procuram explicar essa aparente discrepância:

• as sementes dos primeiros buracos negros já teriam nascido muito mais massivas do que se supõe atualmente;
• alguns buracos negros do universo primordial poderiam ter crescido, durante certos períodos, acima do limite de Eddington;
• episódios excepcionais de acreção extremamente eficiente podem ter acelerado significativamente seu crescimento;
• parte desses objetos pode ter se formado pelo colapso direto de enormes nuvens de gás, originando buracos negros muito mais massivos do que aqueles produzidos pelo colapso de estrelas.

Essas hipóteses procuram explicar como contornar — ou pelo menos reduzir — o problema do crescimento extremamente rápido desses objetos. Entretanto, os mecanismos físicos capazes de produzir qualquer um desses cenários ainda não foram confirmados por observações.

Novos estudos dos quasares revelados pelo Euclid certamente contribuirão para esclarecer essa questão, e futuras descobertas poderão lançar nova luz sobre esse importante problema da astrofísica.

Vale ressaltar que o modelo cosmológico padrão, incluindo a teoria do Big Bang, permanece amplamente corroborado pelas observações. O desafio está em compreender com maior precisão como os primeiros buracos negros supermassivos conseguiram surgir e crescer tão rapidamente durante as primeiras centenas de milhões de anos da história do universo.