Os quasares estão entre os objetos mais brilhantes e poderosos do universo. São alimentados por buracos negros supermassivos que engolem material circundante nos centros das galáxias, produzindo tanta energia que podem ser vistos a milhares de milhões de anos-luz de distância.
Uma equipe internacional de pesquisadores identificou agora 31 dos quasares mais antigos já descobertos, incluindo os dois primeiros exemplos conhecidos. Esses objetos incomuns já brilhavam com a luz de cerca de um trilhão de sóis quando o universo tinha apenas 670 milhões de anos. Descoberta publicada em Astronomia e astrofísicaoferece uma visão sem precedentes de um dos primeiros capítulos da história do espaço.
“Estes objetos fornecem as melhores pistas para a compreensão de como se formam os buracos negros supermassivos”, disse o co-autor Joseph Henawi, professor de física na UC Santa Barbara e na Universidade de Leiden. “Estes monstros – cujo peso é milhares de milhões de vezes maior que a massa do nosso Sol – de alguma forma já existiam quando o Universo estava na sua infância. Ainda não temos uma boa compreensão de como é que cresceram tão massivos, tão rapidamente.”
Por que os quasares antigos são tão difíceis de encontrar
Durante décadas, os astrónomos procuraram os primeiros quasares do Universo porque estes detêm informações valiosas sobre como se formaram as primeiras galáxias e buracos negros supermassivos.
No entanto, é extremamente difícil encontrá-los. Formados menos de 770 milhões de anos após o Big Bang, os quasares são extremamente raros porque apenas um pequeno número de galáxias cresceu o suficiente para hospedá-los. A sua luz fraca também é facilmente confundida com a de estrelas muito mais próximas na nossa galáxia.
Outro obstáculo é a expansão do universo. À medida que o espaço se estende 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 muito mais difícil para os telescópios terrestres detectarem objetos tão 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 o objeto aparece. “Um desvio para o vermelho de 7 leva-nos a uma época em que o Universo tinha apenas 750 milhões de anos, o que é menos de 6% da sua idade actual”, disse Hennavi.
“Estas duas coisas tornam a procura de quasares a tais distâncias incrivelmente difícil,” disse o principal autor do estudo, Doming Young, pós-doutorando no grupo de Hennavi 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 estudos de imagem. E como a sua luz se estende até ao infravermelho a tais distâncias, precisamos de um rastreio que seja suficientemente amplo para capturar estes objetos raros e suficientemente profundo para revelar a sua luz ténue.”
Devido a essas limitações, a busca na superfície da Terra é virtualmente impossível. Observar do espaço fornece uma imagem muito mais clara.
O telescópio espacial Euclides descobriu 31 quasares antigos
A Agência Espacial Europeia lançou o telescópio espacial Euclides em 2023 para explorar o universo durante esta era crítica. Trabalhando acima da atmosfera da Terra, Euclid evita a luz infravermelha que limita as observações terrestres enquanto examina vastas áreas do céu em profundidades extraordinárias.
Usando dados do Euclid Wide Survey, os pesquisadores descobriram 31 novos quasares sem precedentes do universo primitivo. Quando o levantamento for concluído, mais de um terço de todo o céu estará mapeado. Alguns desses quasares recém-descobertos datam de uma época em que o universo tinha apenas cerca de 5% da sua idade atual.
Até agora, os astrônomos detectaram principalmente apenas os quasares antigos mais brilhantes e raros, deixando poucos exemplos para estudar a população dos primeiros quasares como um todo.
“Euclides é uma verdadeira virada de jogo”, disse Deming. “Anteriormente, só conseguíamos encontrar alguns dos quasares antigos mais brilhantes, mas Euclides permite-nos pesquisar com muito mais eficiência através de vastas 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
Recentemente, os pesquisadores observaram mais de perto o segundo quasar mais antigo da nova coleção. Descobriram que se situava no interior de uma galáxia poeirenta e rica em gás, que passava por uma intensa explosão de formação estelar, fornecendo novas pistas sobre o ambiente onde cresceram os primeiros buracos negros supermassivos.
Estes quasares recém-descobertos vêm de um período crítico conhecido como época da reionização, quando as primeiras estrelas e galáxias transformaram o universo primitivo ao ionizar o hidrogénio neutro que outrora preenchia o espaço. Esta era moldou a próxima evolução do cosmos.
Entre os 31 quasares recentemente descobertos, 14 têm um desvio 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 primeiros quasares já detectados. Localizados a pouco mais de 13 bilhões de anos-luz de distância, eles são vistos como existiram durante os primeiros 670 milhões de anos de existência do universo. Eles também bateram o recorde anterior estabelecido pela equipe de pesquisa da Hennavi em 2021.
“Cada passo atrás no tempo torna o quebra-cabeça mais confuso: como o universo criou buracos negros supermassivos tão rapidamente?” – disse Hennavi. “Encontramos buracos negros com massas centenas de milhões de vezes maiores que a do nosso Sol, numa época em que o universo estava apenas nascendo.”
Ainda mais fundo na história cósmica
Os astrónomos avançaram constantemente na história cósmica graças a uma combinação de telescópios melhorados e técnicas de pesquisa mais sofisticadas. Demorou mais de uma década para descobrir aproximadamente os primeiros 10 quasares com redshift 7 ou superior. Euclides já encontrou mais de um ano, mais do que duplicando a população conhecida destes objetos extremamente antigos.
O aprendizado de máquina também se tornou uma parte importante da pesquisa. Algoritmos avançados podem agora filtrar dezenas de milhões de fontes astronómicas e separar os poucos quasares verdadeiros do número esmagador de estrelas e galáxias semelhantes, de acordo com Hennavi.
A equipe de Hennavi passou anos desenvolvendo muitos dos algoritmos usados nessas descobertas. Ele também lidera o desenvolvimento do PypeIt, o software que os astrônomos da UC usam para processar observações coletadas pelos telescópios Keck. Através do 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 8, que revelaria um objeto que existiu no Universo durante os primeiros 630 milhões de anos.
James Webb e ALMA irão estudar estes gigantes antigos
Encontrar esses quasares é apenas o começo. A equipe já garantiu tempo de observação com o Telescópio Espacial James Webb para estudar muitos deles em detalhes. Observações futuras irão medir as massas dos seus buracos negros, analisar a composição química do gás circundante e usar a sua luz para traçar como ocorreu a reionização no universo jovem.
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 ainda mais clara de como evoluíram as primeiras galáxias massivas.
“A visão mais ampla é unir tudo numa linha temporal coerente”, disse Henawy, “narrando os primeiros mil milhões de anos do quasar”.
Doming Young, Antoine Basset e Jean-Charles Couillandre do Euclid Consortium contribuíram para esta história.
