O telescópio espacial Hubble da NASA está “vendo em dobro”. Observando 10 bilhões de anos no passado do universo, os astrônomos do Hubble encontraram um par de quasares que estão tão próximos um do outro que parecem um único objeto em fotos telescópicas baseadas no solo, mas não na visão nítida do Hubble.
Os pesquisadores acreditam que os quasares estão muito próximos um do outro porque residem nos núcleos de duas galáxias em fusão. A equipe ganhou a “dobradinha diária” ao encontrar outro par de quasares em outra dupla de galáxias em colisão.
Um quasar é um farol brilhante de luz intensa do centro de uma galáxia distante que pode ofuscar toda a galáxia. É alimentado por um buraco negro supermassivo que se alimenta vorazmente de matéria inflada, liberando uma torrente de radiação.
“Estimamos que no universo distante, para cada 1.000 quasares, haja um quasar duplo. Portanto, encontrar esses quasares duplos é como encontrar uma agulha em um palheiro”, disse o pesquisador-chefe Yue Shen, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
A descoberta desses quatro quasares oferece uma nova maneira de sondar colisões entre galáxias e a fusão de buracos negros supermassivos no início do universo, dizem os pesquisadores.
Os quasares estão espalhados por todo o céu e eram mais abundantes há 10 bilhões de anos. Houve muitas fusões de galáxias na época, alimentando os buracos negros. Portanto, os astrônomos teorizam que deveria haver muitos quasares duais durante esse tempo.
“Esta é realmente a primeira amostra de quasares duais na época de pico da formação de galáxias com a qual podemos usar para sondar ideias sobre como buracos negros supermassivos se unem para formar um binário”, disse o membro da equipe de pesquisa Nadia Zakamska, da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, Maryland.
Os resultados da equipe apareceram na edição online de 1º de abril da revista Nature Astronomy.
Shen e Zakamska são membros de uma equipe que está usando o Hubble, o observatório espacial Gaia da Agência Espacial Europeia, e o Sloan Digital Sky Survey, bem como vários telescópios terrestres, para compilar um censo robusto de pares de quasares no universo primitivo.
As observações são importantes porque o papel de um quasar em encontros galácticos desempenha um papel crítico na formação da galáxia, dizem os pesquisadores. À medida que duas galáxias próximas começam a se distorcer gravitacionalmente, sua interação canaliza o material para seus respectivos buracos negros, acendendo seus quasares.
Com o tempo, a radiação dessas “lâmpadas” de alta intensidade lança poderosos ventos galácticos, que varrem a maior parte do gás das galáxias em fusão. Privada de gás, a formação de estrelas cessa e as galáxias evoluem para galáxias elípticas.
“Os quasares têm um impacto profundo na formação de galáxias no universo”, disse Zakamska. “Encontrar quasares duais nesta época inicial é importante porque agora podemos testar nossas ideias de longa data de como os buracos negros e suas galáxias hospedeiras evoluem juntos.”
Os astrônomos descobriram mais de 100 quasares duplos em galáxias em fusão até agora. No entanto, nenhum deles é tão antigo quanto os dois quasares duplos deste estudo.
As imagens do Hubble mostram que os quasares dentro de cada par estão separados por apenas cerca de 10.000 anos-luz. Em comparação, nosso Sol está a 26.000 anos-luz do buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia.
Os pares de galáxias hospedeiras acabarão por se fundir e, em seguida, os quasares também se aglutinarão, resultando em um buraco negro único e ainda mais massivo.
Encontrá-los não foi fácil. O Hubble é o único telescópio com visão nítida o suficiente para voltar ao universo primitivo e distinguir dois quasares próximos que estão tão distantes da Terra. No entanto, a resolução nítida do Hubble por si só não é boa o suficiente para encontrar esses faróis de luz dupla.
Os astrônomos primeiro precisaram descobrir para onde apontar o Hubble para estudá-los. O desafio é que o céu está coberto por uma tapeçaria de quasares antigos que ganharam vida há 10 bilhões de anos, apenas uma pequena fração dos quais são duais. Foi necessária uma técnica criativa e inovadora que exigiu a ajuda do satélite Gaia da Agência Espacial Européia e do Sloan Digital Sky Survey para compilar um grupo de candidatos potenciais para o Hubble observar.
Localizado no Observatório Apache Point no Novo México, o telescópio Sloan produz mapas tridimensionais de objetos em todo o céu. A equipe se debruçou sobre a pesquisa Sloan para identificar os quasares para estudar mais de perto.
Os pesquisadores então alistaram o observatório Gaia para ajudar a identificar potenciais candidatos de quasar duplo. Gaia mede as posições, distâncias e movimentos de objetos celestes próximos com muita precisão. Mas a equipe desenvolveu um aplicativo novo e inovador para Gaia que poderia ser usado para explorar o universo distante. Eles usaram o banco de dados do observatório para procurar quasares que imitam o movimento aparente de estrelas próximas. Os quasares aparecem como objetos únicos nos dados Gaia. No entanto, Gaia pode captar uma “sacudidela” sutil e inesperada na posição aparente de alguns dos quasares que observa.
Os quasares não estão se movendo através do espaço de forma mensurável, mas em vez disso, seu movimento pode ser evidência de flutuações aleatórias de luz, pois cada membro do par de quasares varia em brilho. Os quasares cintilam em brilho em escalas de tempo de dias a meses, dependendo da programação de alimentação de seus buracos negros.
Esse brilho alternado entre o par de quasares é semelhante a ver um sinal de travessia de uma ferrovia à distância. Como as luzes de ambos os lados do sinal estacionário piscam alternadamente, o sinal dá a ilusão de “balançar”.
Quando os primeiros quatro alvos foram observados com o Hubble, sua visão nítida revelou que dois dos alvos são dois pares próximos de quasares. Os pesquisadores disseram que foi um “momento de lâmpada” que verificou seu plano de usar Sloan, Gaia e Hubble para caçar as antigas e elusivas usinas duplas.
O membro da equipe Xin Liu, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, chamou a confirmação do Hubble de uma “surpresa feliz”. Há muito tempo ela caça quasares duplos mais próximos da Terra usando diferentes técnicas com telescópios terrestres. “A nova técnica pode não apenas descobrir quasares duplos muito mais distantes, mas é muito mais eficiente do que os métodos que usamos antes”, disse ela.
O artigo da Nature Astronomy é uma “prova de conceito que realmente demonstra que nossa busca direcionada por quasares duais é muito eficiente”, disse o membro da equipe Hsiang-Chih Hwang, estudante de graduação na Universidade Johns Hopkins e investigador principal do programa Hubble. “Isso abre uma nova direção onde podemos acumular sistemas muito mais interessantes para acompanhar, o que os astrônomos não eram capazes de fazer com técnicas ou conjuntos de dados anteriores.”
A equipe também obteve observações de acompanhamento com os telescópios Gemini da National Science Foundation NOIRLab. “A espectroscopia espacialmente resolvida de Gêmeos pode rejeitar sem ambigüidades intrusos devido a superposições casuais de sistemas quasares-estrela não associados, onde a estrela de primeiro plano está coincidentemente alinhada com o quasar de fundo”, disse o membro da equipe Yu-Ching Chen, um estudante graduado da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
Embora a equipe esteja convencida do resultado, eles dizem que há uma pequena chance de que os instantâneos do Hubble capturassem imagens duplas do mesmo quasar, uma ilusão causada por lentes gravitacionais. Este fenômeno ocorre quando a gravidade de uma grande galáxia em primeiro plano se divide e amplifica a luz do quasar de fundo em duas imagens espelhadas. No entanto, os pesquisadores acreditam que este cenário é altamente improvável porque o Hubble não detectou nenhuma galáxia em primeiro plano perto dos dois pares de quasares.
As fusões galácticas eram mais abundantes há bilhões de anos, mas algumas ainda estão acontecendo hoje. Um exemplo é o NGC 6240, um sistema próximo de fusão de galáxias que possui dois e possivelmente até três buracos negros supermassivos. Uma fusão galáctica ainda mais próxima ocorrerá em alguns bilhões de anos, quando nossa galáxia, a Via Láctea, colidir com a vizinha galáxia de Andrômeda. A disputa galáctica provavelmente alimentaria os buracos negros supermassivos no centro de cada galáxia, acendendo-os como quasares.
Futuros telescópios podem oferecer mais informações sobre esses sistemas de fusão. O Telescópio Espacial James Webb da NASA, um observatório infravermelho com lançamento previsto para o final deste ano, vai sondar as galáxias hospedeiras dos quasares. Webb mostrará as assinaturas de fusões galácticas, como a distribuição da luz das estrelas e as longas correntes de gás extraídas das galáxias em interação.
Publicado em 07/04/2021 16h39
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