Descoberta rara e inesperada: um quasar duplo a arder no Universo distante em 2 galáxias em fusão

O Universo primitivo era um lugar exuberante onde as galáxias frequentemente esbarravam umas nas outras e frequentemente se fundiam.

Utilizando o Telescópio Espacial Hubble da NASA e outros observatórios espaciais e terrestres, os astrónomos fizeram uma descoberta inesperada e rara: um par de quasares gravitacionalmente ligados, ambos “ardendo” dentro de duas galáxias em fusão.

Estes quasares existiram quando o Universo tinha apenas 3 mil milhões de anos.

Os resultados de um novo estudo liderado por investigadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade Johns Hopkins foram publicados na revista Nature.

Os quasares são objetos brilhantes alimentados por buracos negros supermassivos e vorazes que expelem quantidades enormes de energia enquanto se alimentam de gás, poeira e qualquer outra coisa dentro do seu alcance gravitacional.

“Não vemos muitos quasares duplos nesta fase inicial do Universo e é por isso que esta descoberta é tão excitante”, disse Yu-Ching Chen, estudante da Universidade de Illinois e autor principal do estudo.

Há cada vez mais evidências de que as grandes galáxias são construídas através de fusões. Os sistemas mais pequenos juntam-se para formar sistemas e estruturas cada vez maiores. Durante esse processo, formaram-se pares de buracos negros dentro das galáxias em fusão.

“O conhecimento da população progenitora dos buracos negros eventualmente vai acabar por nos dizer mais sobre o aparecimento dos buracos negros supermassivos no Universo inicial e quão frequentes essas fusões podem ser”, disse Chen.

“Estamos a começar a desvendar esta ponta do iceberg da população dos primeiros quasares binários” disse o coautor Xin Liu, professor de astronomia na mesma instituição de ensino.

“Esta é a particularidade deste estudo. Diz-nos que esta população existe e agora temos um método para identificar quasares duplos que estão separados por menos do que o tamanho de uma única galáxia”.

Esta foi uma procura parecida com a de uma agulha num palheiro que exigiu o poder combinado do Telescópio Espacial Hubble da NASA e do Observatório W. M. Keck no Hawaii. O observatório espacial Gaia da ESA ajudou na descoberta original do quasar duplo.

“A sensibilidade e resolução do Hubble forneceu imagens que nos permitem descartar outras possibilidades para o que o estamos a ver”, disse Chen.

O Hubble mostra inequivocamente que se trata de facto de um par genuíno de buracos negros supermassivos, em vez de duas imagens do mesmo quasar criadas pelos efeitos óticos de uma lente gravitacional em primeiro plano. E o Hubble mostra uma característica de maré da fusão das duas galáxias, onde a gravidade distorce a forma das galáxias, formando duas caudas de estrelas.

No entanto, a nítida resolução do Hubble, por si só, não é suficientemente boa para procurar estes faróis de luz dupla, disseram os investigadores.

A equipa alistou o Gaia, um satélite lançado em 2013, para identificar potenciais candidatos a quasar duplo. O Gaia mede as posições, distâncias e movimentos de objetos celestes próximos de forma muito precisa.

Os quasares aparecem como objetos individuais nos dados do Gaia porque estão tão próximos uns dos outros. No entanto, os seus instrumentos conseguem capturar um movimento subtil e inesperado que imita uma mudança aparente na posição de alguns dos quasares que observa.

A equipa disse que, na realidade, os quasares não se estão a mover pelo espaço de forma mensurável. Ao invés, o movimento subtil pode ser evidência de flutuações aleatórias de luz, uma vez que cada membro do par de quasares varia em brilho e em escalas de tempo de dias a meses, dependendo do “horário de alimentação” do buraco negro.

Este brilho alternado entre o par de quasares é semelhante a ver um sinal de travessia de uma linha férrea à distância. Como as luzes de ambos os lados do sinal estacionário piscam alternadamente, o sinal dá a ilusão de se mover.

Outro desafio é que, dado que a gravidade distorce o espaço, uma galáxia em primeiro plano poderia dividir a imagem de um quasar distante em dois, criando a ilusão de que se trata de um binário.

O telescópio Keck foi utilizado para garantir que não havia uma galáxia a servir como lente gravitacional entre a Terra e o quasar duplo suspeito. Uma vez que o Hubble observa o passado distante, este quasar duplo já não existe.

Ao longo dos 10 mil milhões de anos que se seguiram, as suas galáxias hospedeiras provavelmente fundiram-se numa galáxia elíptica gigante, como as que hoje se veem no Universo local.

E os quasares fundiram-se para formar um único buraco negro supermassivo e gigantesco no seu centro. M87, uma galáxia elíptica gigante nossa vizinha, tem um buraco negro supermassivo com 6,5 mil milhões de vezes a massa do nosso Sol.

Talvez este buraco negro tenha sido criado a partir de uma ou mais fusões galácticas ao longo dos últimos milhares de milhões de anos.

O futuro Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA, com a mesma acuidade visual que o Hubble, é ideal para caçar quasares binários. O Hubble tem sido utilizado para registar cuidadosamente dados de alvos individuais.

Mas a visão infravermelha e de grande angular do Roman é 200 vezes maior do que a do Hubble. “Muitos quasares podem ser sistemas binários. O telescópio Roman pode fazer enormes avanços nesta área de investigação”, conclui Liu.