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Desculpe, os astrônomos não encontraram o quasar mais brilhante em todo o universo

A impressão deste artista mostra como J043947.08+163415.7, um quasar muito distante alimentado por um buraco negro supermassivo, pode parecer de perto. Este objeto é de longe o quasar mais brilhante já descoberto no início do Universo, mas apenas em termos de brilho aparente. (ESA/HUBBLE, NASA, M. KORMESSER)

Com a ajuda da gravidade de Einstein e o poder do Telescópio Espacial Hubble, é o quasar mais brilhante que já descobrimos.

Em astronomia, existem dois tipos de perguntas a serem respondidas: as fáceis e as difíceis. As perguntas fáceis envolvem objetos próximos que são abundantes e fáceis de ver; os mais difíceis envolvem objetos distantes, raros e difíceis de encontrar. De muitas maneiras, as maiores questões de todas envolvem determinar o que está acontecendo nos maiores extremos cósmicos.

Em uma nova descoberta espetacular, os astrônomos anunciaram um quasar recorde no início do Universo : mais brilhante que 600 trilhões de sóis. Com sua luz chegando até nós de 13 bilhões de anos atrás – apenas 800 milhões de anos após o Big Bang – seu brilho implica que é alimentado por um buraco negro de 10 bilhões de vezes a massa do nosso Sol.

Mas essa conclusão está totalmente errada. É uma peculiaridade da relatividade de Einstein que está nos enganando, e entendemos exatamente o porquê.

As velas padrão são ótimas para inferir distâncias com base no brilho medido, mas apenas se você estiver confiante no brilho intrínseco da sua vela. Se você vir algo que parece ter um certo brilho e distância, mas identificar erroneamente o que acontece com essa luz ao longo do caminho, poderá calcular mal o brilho intrínseco da vela. (NASA/JPL-CALTECH)

Imagine que você tem uma lâmpada brilhante. Ao ligar o interruptor, ele aquece seu filamento e brilha intensamente, alimentado por um número padrão: 100 watts. Você pode ficar a uma certa distância dele e prever exatamente o quão brilhante ele deve aparecer. E isso também funciona de outra maneira: se você pode medir sua distância e quão brilhante ela aparece, você pode inferir exatamente quão intrinsecamente luminosa ela é.

Mas há uma ressalva nessa linha de pensamento. Você precisa ter certeza de que nada está ampliando a luz que você está vendo da sua localização no espaço. Se você visse essa lâmpada através de uma lupa, ainda obteria a medida da distância correta, mas mediria um brilho aparente que foi aprimorado artificialmente. Quanto maior o poder de ampliação de sua lente, maior o aprimoramento artificial. Se você tentasse inferir quão intrinsecamente luminosa sua lâmpada realmente era, você estaria inclinado para uma resposta incorreta, com ampliações mais altas influenciando seus resultados em quantidades maiores.

Lentes gravitacionais, ampliando e distorcendo uma fonte de fundo, nos permitem ver objetos mais distantes e mais fracos do que nunca. (ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. CALÇADA (ESO), Y. HEZAVEH ET AL.)

Não existem lupas que ocorrem naturalmente no espaço, mas existe o fenômeno muito real das lentes gravitacionais. Quando você está olhando para um objeto distante no Universo, existe a possibilidade muito real de ter uma grande massa existindo ao longo de sua linha de visão para o que quer que você esteja observando.

Na relatividade de Einstein, a massa faz com que o tecido do espaço-tempo se curve, com massas maiores induzindo uma curvatura maior. A luz de um objeto distante que passa por uma região do espaço-tempo severamente curvada terá seu caminho distorcido. Se a distorção for significativa o suficiente, ela pode causar uma variedade de efeitos, incluindo um alongamento da imagem observada, a criação de várias imagens e uma grande ampliação da luz proveniente da fonte.

HE0435–1223, localizado no centro desta imagem de campo amplo, está entre os cinco quasares com melhor lente descobertos até hoje. A galáxia em primeiro plano cria quatro imagens altamente simétricas do quasar distante ao seu redor. Quasares são os objetos mais distantes encontrados no Universo observável. (ESA/HUBBLE, NASA, SUYU ET AL.)

Quando se trata dos objetos mais brilhantes do Universo ultra-distante, não usamos lâmpadas. Nem sequer usamos estrelas, galáxias ou supernovas; a distâncias tão grandes, os únicos objetos individuais que podem ser vistos em grande número são os quasares. Logo após o Big Bang, o Universo formou estrelas pela primeira vez, levando a buracos negros, fusões e galáxias. Com o passar do tempo, eventualmente os primeiros buracos negros supermassivos apareceram no centro dessas jovens galáxias .

Esses buracos negros, quando suas galáxias hospedeiras sofrem grandes explosões de formação estelar, podem acumular e devorar grandes quantidades de matéria. À medida que o fazem, os buracos negros crescem e as regiões que os cercam emitem grandes quantidades de radiação eletromagnética, desde a porção de rádio do espectro até o raio-X. Com base na radiação que observamos, podemos reconstruir todos os tipos de propriedades desses quasares e das galáxias que eles habitam.

Este quasar recém-identificado é chamado J043947.08+163415.7, que chamaremos de J0439 para abreviar. Foi descoberto em uma pesquisa de área ampla em 2017 e, no ano passado, recebeu observações de acompanhamento do Hubble. E – assim como você esperaria com uma lâmpada – fomos capazes de medir a distância e o brilho desse objeto.

Nós pode medir com precisão muito alta a que distância este quasar está e obtenha um valor aplicando o que sabemos sobre o Universo em expansão: 28,1 bilhões de anos-luz de distância.

Podemos medir com alta precisão o quão brilhante o quasar aparece coletando sua luz, e isso nos dá uma medida direta do brilho aparente.

E juntando esses dois números, obtemos esse valor para a luminosidade intrínseca do quasar: 600 trilhões de vezes o brilho do Sol.

O jato de raios-X mais distante do Universo, do quasar GB 1428, tem aproximadamente a mesma distância e idade, visto da Terra, do quasar S5 0014+81, que abriga possivelmente o maior buraco negro conhecido no Universo. Acredita-se que esses gigantes distantes sejam ativados por fusões ou outras interações gravitacionais que também levam a um aumento significativo na taxa de formação de estrelas observada nessas galáxias hospedeiras. (RAIO X: NASA/CXC/NRC/C.CHEUNG ET AL; ÓPTICO: NASA/STSCI; RÁDIO: NSF/NRAO/VLA)

Se isso fosse verdade, esse objeto seria de longe a coisa mais brilhante que detectamos a distâncias tão grandes. Atualmente sabemos de centenas de quasares encontrados em distâncias igualmente extremas, que variam em brilho de alguns trilhões a talvez 300 trilhões de vezes a luminosidade do Sol. Portanto, este novo quasar, J0439, é agora duas vezes mais luminoso que o próximo mais brilhante. Alguns estão até alegando que pode ser o quasar mais brilhante no início do Universo.

Para dar uma ideia de quão extremo seria esse quasar, podemos inferir uma massa para seu buraco negro central com base em seu brilho: 10 bilhões de massas solares. Podemos inferir uma taxa de formação de estrelas para a galáxia que a abriga: 10.000 massas solares no valor de novas estrelas por ano.

Em comparação, nossa Via Láctea tem um buraco negro supermassivo de apenas 4 milhões de massas solares e forma menos de 1 massa solar de novas estrelas a cada ano.

Esta visão de vários comprimentos de onda do centro galáctico da Via Láctea vai do raio-X através do óptico e no infravermelho, mostrando Sagitário A* e o meio intragaláctico localizado a cerca de 25.000 anos-luz de distância. O buraco negro tem uma massa de aproximadamente 4 milhões de sóis, enquanto a Via Láctea como um todo forma menos de um novo sol de estrelas a cada ano. Ainda este ano, usando dados de rádio, o EHT resolverá o horizonte de eventos do buraco negro. (RAIO X: NASA/CXC/UMASS/D. WANG ET AL.; ÓPTICO: NASA/ESA/STSCI/ D.WANG ET AL.; RI: NASA/JPL-CALTECH/SSC/S.STOLOVY)

Houve aproximadamente 500 quasares descobertos que chegaram até nós desde tempos muito antigos: quando o Universo tinha menos de 1,2 bilhão de anos. Nenhum é tão brilhante, tem buracos negros tão massivos ou implica taxas de formação de estrelas tão grandes. Se esse quasar fosse tão brilhante quanto essas observações implicam, poderia muito bem ser o objeto mais extremo de todo o Universo.

Mas não é verdade. O quasar J0439 não é 600 trilhões de vezes mais luminoso que o nosso Sol e definitivamente não é o quasar mais brilhante do Universo. Em vez disso, J0439 mostra os sinais reveladores de lentes gravitacionais, que podem ser ampliadas por um fator de 50.

Em vez de ser 600 trilhões de vezes mais luminoso que o nosso Sol, pode ser apenas 10 a 12 trilhões de vezes mais luminoso, o que o tornaria um dos quasares mais fracos já detectados a uma distância tão grande.

Esta imagem mostra o distante quasar J043947.08+163415.7 como foi observado com o Telescópio Espacial Hubble da NASA/ESA. O quasar é um dos objetos mais brilhantes do Universo primitivo. No entanto, devido à sua distância, ela só se tornou visível à medida que sua imagem se tornava mais brilhante e maior pela lente gravitacional. (NASA, ESA, X. FAN (UNIVERSIDADE DO ARIZONA))

As assinaturas de lente são completamente inequívocas e inescapáveis. Várias imagens foram resolvidas nos dados do Hubble, pois as observações mostraram a existência de três imagens separadas para J0439. A existência de uma galáxia em primeiro plano, compensada apenas pela diferença angular necessária, também é claramente visível, revelando uma fonte para lentes gravitacionais.

A melhor interpretação desses dados é que o quasar pode estar enviando luz a partir de 13 bilhões de anos atrás, mas aproximadamente a meio caminho entre nós e esse quasar, uma galáxia entrelaçada está curvando o espaço severamente. Quando reconstruímos o que deve estar presente para explicar essas observações, concluímos que este não é o quasar mais brilhante detectado a distâncias tão grandes; é o primeiro quasar a ser captado gravitacionalmente nos confins do Universo.

Uma ilustração de lentes gravitacionais mostra como as galáxias de fundo – ou qualquer caminho de luz – são distorcidas pela presença de uma massa intermediária, mas também mostra como o próprio espaço é dobrado e distorcido pela presença da própria massa em primeiro plano. A ampliação de tal lente pode causar confusão quanto ao brilho intrínseco de uma fonte se não for contabilizada adequadamente. (NASA/ESA)

Quando levamos em consideração os efeitos das lentes gravitacionais, juntamente com a curvatura associada do espaço devido à relatividade de Einstein, esse quasar se torna muito mais razoável.

• Em vez de 600 trilhões de vezes mais luminoso que o nosso Sol, é apenas ~ 12 trilhões de vezes mais luminoso, de acordo com outros quasares.
• Em vez de um buraco negro com 10 bilhões de vezes a massa do nosso Sol, inédito em tempos tão antigos, deveria ter apenas 0,8 bilhão de vezes a massa do nosso Sol, consistente com outros grandes buracos negros supermassivos naqueles estágios iniciais.
• E em vez de uma taxa de formação de estrelas que é dezenas de milhares de vezes maior que a nossa própria galáxia, reconstruímos uma que está muito mais alinhada com outros quasares jovens: algumas centenas a alguns milhares de massas solares no valor de novas estrelas por ano.

No futuro, pesquisas profundas em maior escala devem revelar mais quasares nas franjas de poderosas lentes gravitacionais. Devemos descobrir muito mais desses quasares de baixa luminosidade a grandes distâncias, que estão abaixo dos limites de detecção de nossos observatórios atuais sem aprimoramento de lentes. E para J0439 em particular, esperamos que as observações de acompanhamento com o ALMA revelem a rapidez com que o material em torno do buraco negro alimentado por quasar está se movendo, dando-nos uma janela para o que sua massa realmente é.

O núcleo da galáxia NGC 4261, como o núcleo de muitas galáxias, mostra sinais de um buraco negro supermassivo em observações infravermelhas e de raios-X. Quando medimos o movimento do gás, incluindo sua velocidade em uma variedade de distâncias do centro, em torno desse buraco negro, podemos inferir um valor bastante preciso para o buraco negro supermassivo in situ. (NASA / HUBBLE E ESA)

Este novo quasar é fascinante, mas não pelas razões que você pode ter ouvido. Não é o objeto mais brilhante perto do nosso amanhecer cósmico, mas um dos objetos mais fracos descobertos. É apenas por causa do poder das lentes gravitacionais, um alinhamento casual de uma galáxia intermediária e as regras únicas da relatividade de Einstein que conseguimos encontrá-lo.

Podemos ter encontrado o quasar com o maior brilho aparente no início do Universo, o que é notável por si só. Mas nosso objetivo é entender o Universo como ele é, não como nos parece. Quando levamos isso em consideração, esse quasar está exatamente alinhado com o que esperamos que seja. E essa é uma história fascinante por si só, sem necessidade de sensacionalismo adicional.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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