Os quasares estão entre os objetos mais luminosos do universo conhecido. Eles são encontrados nos núcleos de galáxias distantes e são alimentados por buracos negros supermassivos. Espirais de gás entram nesses buracos negros em alta velocidade. A fricção gera enormes quantidades de luz. Alguns quasares ofuscam todas as estrelas da sua galáxia natal. Este brilho permite aos astrónomos vê-los a milhares de milhões de anos-luz de distância.
O que exatamente é um quasar?
Um quasar é uma região compacta no centro de uma galáxia. Ele emite enormes quantidades de energia. Essa energia vem da acreção. A matéria cai em um buraco negro supermassivo. O processo libera mais energia do que a fusão nuclear. Isso torna os quasares incrivelmente brilhantes. Eles são fontes pontuais de luz. Os primeiros telescópios não conseguiram resolvê-los. Pareciam estrelas. Daí o nome “fonte de rádio quase estelar”. Hoje sabemos que não são estrelas. Eles são núcleos galácticos ativos.
Como os quasares foram descobertos?
Os quasares foram identificados pela primeira vez na década de 1960. Os astrônomos usaram radiotelescópios para detectar emissões fortes. Estas fontes não correspondiam a nenhuma estrela conhecida. Seus espectros mostraram grandes desvios para o vermelho. Isso indicava que eles estavam muito longe. O desvio para o vermelho implicava distâncias enormes. No entanto, eles eram brilhantes. Isso foi intrigante. Como pode algo até agora ser tão brilhante? A resposta estava no buraco negro. A produção de energia foi imensa.
Por que os quasares são importantes?
Os quasares nos ajudam a compreender o universo primitivo. Eles existem a grandes distâncias. A luz dos quasares leva bilhões de anos para chegar até nós. Nós os vemos como eram no passado. Isso fornece um instantâneo do universo jovem. Os quasares também revelam o crescimento de buracos negros. Eles mostram como as galáxias evoluem. A interação entre os buracos negros e as suas galáxias hospedeiras é fundamental. Quasares são marcadores desse processo.
Onde podemos encontrar quasares?
Quasares são encontrados nos centros das galáxias. Eles estão espalhados pelo céu. Telescópios como Hubble e James Webb os detectam. Eles são visíveis em pesquisas do espaço profundo. Suas localizações ajudam a mapear o universo. Os quasares não estão perto da nossa Via Láctea. Eles estão distantes. O quasar mais próximo conhecido ainda está longe. Encontra-se a bilhões de anos-luz da Terra.
Quais quasares são os mais brilhantes?
Alguns quasares são excepcionalmente brilhantes. Eles podem ofuscar toda a sua galáxia hospedeira. Isso os torna visíveis mesmo em distâncias extremas. Os quasares mais brilhantes têm luminosidades de trilhões de sóis. Eles estão entre os objetos mais distantes observados. Seu brilho permite um estudo detalhado. Os astrônomos podem analisar seus espectros. Isto revela a composição do seu entorno.
Como os quasares afetam suas galáxias hospedeiras?
Os quasares influenciam suas galáxias hospedeiras. A produção de energia pode expulsar o gás da galáxia. Isto pode impedir a formação de estrelas. Os quasares regulam o crescimento das galáxias. Eles fazem parte de um ciclo de feedback. Buracos negros e galáxias co-evoluem. O estudo dos quasares nos ajuda a compreender essa relação. É uma área chave da astronomia moderna.
O Futuro da Pesquisa Quasar
Novos telescópios estão melhorando nossa visão. O Telescópio Espacial James Webb detecta quasares mais fracos. Ele vê mais atrás no tempo. Isso permite
Por que os quasares parecem estrelas (mas não são)
O nome vem de um pouco de confusão astronômica. Na década de 1950, os pesquisadores examinaram o céu em busca de sinais de rádio. A maioria das fontes alinhadas com galáxias normais. Alguns não.
Esses valores discrepantes ficavam perto do plano da Via Láctea. Pareciam fracas estrelas azuis. Alguns tinham halos difusos. Os telescópios não conseguiam diferenciá-los das estrelas normais à primeira vista.
Então eles ganharam um nome desajeitado. Fontes de rádio quase estelares. Abreviado para quasar em 1964.
A etiqueta pegou. Descrevia como eles eram. Não o que eles eram.
O Mistério dos Halos Azuis
Aqueles halos difusos não eram apenas ruído visual. Eles sugeriram algo maior. Algo mais brilhante.
Os quasares são alimentados por buracos negros supermassivos. Eles ficam nos centros de galáxias distantes. A luz que vemos é o disco de acreção. O halo é a galáxia hospedeira. Mas os primeiros telescópios viram apenas o núcleo brilhante.
Parecia uma estrela. Agiu como uma estrela. Não foi.
Como descobrimos isso
Assim que os astrônomos perceberam que os quasares não eram estrelas, eles olharam mais de perto. As medições do redshift mostraram que eles estavam incrivelmente distantes. Se eles eram tão brilhantes àquela distância, deviam ser inimaginavelmente energéticos.
O nome era um nome impróprio. O objeto era o coração de uma galáxia. Mas o termo “quasar” perdurou. É mais fácil do que dizer “núcleo galáctico ativo ultraluminoso”.
Ainda usamos o nome antigo. Para a estrela azul que não era uma estrela.
O mistério do Redshift e a escala dos quasares
Os espectros ópticos desses estranhos objetos parecidos com estrelas não faziam sentido. As linhas de emissão apareceram em comprimentos de onda que não correspondiam a nenhuma fonte celestial conhecida. Foi um quebra-cabeça que deixou os astrônomos perplexos até que Maarten Schmidt, um astrônomo holandês-americano, o decifrou em 1963. Ele percebeu que o padrão em 3C 273 – o quasar mais brilhante conhecido – era na verdade átomos de hidrogênio esticados pela expansão cósmica. O desvio para o vermelho foi 0,158. Isso significava que cada comprimento de onda era 1,158 vezes maior do que uma medição de laboratório.
Aplique a lei de Hubble e você terá uma distância de mais de dois bilhões de anos-luz. Isso é longe. Aglomerados de galáxias brilhantes existiam a distâncias semelhantes. Mas 3C 273? Ela ofuscou as galáxias individuais mais brilhantes desses aglomerados por um fator de 100. Nada tão brilhante jamais havia sido visto tão longe.
O problema da densidade
As observações contínuas trouxeram uma surpresa ainda mais estranha. O brilho do quasar flutuou enormemente em escalas de tempo tão curtas quanto alguns dias. A física determina que um objeto não pode mudar de velocidade mais rápido do que a luz pode atravessá-lo. Portanto, o tamanho total de um quasar não deveria ser maior do que alguns dias-luz.
Compactar. Luminoso. Impossível.
Se algo é tão pequeno e brilhante, a pressão interna da radiação deve destruí-lo. A única coisa que impede uma explosão autodestrutiva é a gravidade. Para se manter unido contra o seu próprio brilho, um quasar deve ser massivo. Pelo menos um milhão de massas solares. Este é o limite de Eddington, nomeado em homenagem a Arthur Eddington. É o ponto crítico onde a pressão da radiação externa equilibra a atração gravitacional interna.
Portanto, os astrônomos enfrentaram um enigma. Como é que um objeto do tamanho do nosso sistema solar pesa um milhão de estrelas e ofusca uma galáxia de 100 mil milhões de estrelas?
Acréscimo e o fim da controvérsia
A resposta chegou rapidamente após a descoberta de Schmidt. Independentemente, os astrônomos russos Yakov Zel’dovich e Igor Novikov, além do austríaco-americano Edwin Salpeter, propuseram a mesma solução: acréscimo por gravidade em buracos negros supermassivos.
Alguns astrônomos odiaram. A ideia de uma luminosidade tão elevada num espaço tão pequeno era desagradável. Eles propuseram alternativas. Essas teorias argumentavam que os quasares não estavam realmente a essas distâncias enormes. Seus desvios para o vermelho não eram cosmológicos. Desde então, essas interpretações alternativas foram desacreditadas. Restam alguns adeptos, mas são discrepantes.
A controvérsia do redshift terminou no início dos anos 1980. O astrônomo americano Todd Boroson e o canadense-americano John Beverly Oke provaram isso. Eles mostraram que os halos difusos que cercam alguns quasares eram apenas luz estelar da galáxia hospedeira. E essas galáxias? Eles estavam em altos redshifts. A distância era real.
De fontes de rádio a QSOs
Em 1965, ficou claro que os quasares eram apenas a ponta do iceberg. Eles faziam parte de uma população maior de fontes excepcionalmente azuis. A maioria eram fontes de rádio mais fracas, fracas demais para pesquisas iniciais. Este grupo mais amplo compartilhava todas as propriedades do quasar, exceto a radioluminosidade extrema. Eles foram chamados de objetos quase estelares, ou QSOs.
Desde a década de 1980, os astrônomos veem os QSOs como a variedade de alta luminosidade de uma classe ainda maior: núcleos galácticos ativos, ou AGNs. As versões de menor luminosidade são galáxias Seyfert, em homenagem a Carl K. Seyfert, que as identificou pela primeira vez em 1943.
Encontrando Quasares com Eficiência
Os primeiros quasares foram encontrados como fontes de rádio. Mas os astrônomos rapidamente perceberam que poderiam encontrá-los mais rapidamente procurando objetos mais azuis que as estrelas normais. O método é simples. Fotografe grandes áreas do céu através de dois ou três filtros de cores diferentes. Compare as imagens. Encontre os objetos incomumente azuis. Verifique com espectroscopia.
Esta continua sendo a técnica principal. Evoluiu, é claro. O filme deu lugar a dispositivos eletrônicos de carga acoplada (CCDs). As pesquisas se estenderam aos comprimentos de onda infravermelhos. Vários filtros agora isolam quasares em diferentes redshifts em várias combinações.
Existem outras maneiras também. Procura fontes semelhantes a estrelas com variações irregulares de brilho. Pesquisas de raios X do espaço. Altos níveis de emissão de raios X são considerados um indicador seguro de um sistema de buraco negro em acreção.
Estrutura Física dos Quasares
Pense na escala do motor no coração de um quasar. Estamos falando de um buraco negro com massa que varia de um milhão a vários bilhões de vezes a do nosso Sol. Esses monstros ficam silenciosamente no centro de muitas galáxias grandes. Mas quando comem, eles brilham.
Em cerca de 5 a 10 por cento destas galáxias, as coisas ficam caóticas. O gás cai no poço gravitacional profundo do buraco negro. Ele ganha velocidade. Ele se acumula. A fricção e o calor transformam esta matéria em queda em incandescência, formando um disco de acreção em rápida rotação fora do horizonte de eventos.
Existe um limite rígido para a rapidez com que um buraco negro pode comer. É chamado de limite de Eddington. Se um buraco negro acumula matéria muito rapidamente, o calor resultante cria tanta pressão de radiação externa que afasta o gás que entra. A alimentação para. A natureza impõe um limite de velocidade à gula.
Então, o que torna um núcleo “ativo”? A maioria das grandes galáxias – 90 a 95 por cento delas – estão atualmente silenciosas. Eles não são quasares. Um núcleo galáctico ativo é diferente porque seu buraco negro está consumindo ativamente. Ele devora algumas massas solares de matéria todos os anos. Se estiver comendo cerca de 1% ou mais da taxa de Eddington, a produção de energia é impressionante. Estamos falando de uma luminosidade total de aproximadamente 10^39 watts. Compare isso com os modestos 4 × 10 ^ 26 watts do Sol. A matemática é brutal.
A anatomia de um quasar
Além do buraco negro e do disco brilhante, os quasares têm um interior complicado. Logo além do disco de acreção, você encontra nuvens de gás movendo-se a velocidades insanas. Estas nuvens orbitam a estrutura interna, absorvendo radiação de alta energia do disco. Eles o reprocessam, emitindo amplas linhas espectrais de hidrogênio e outros átomos ionizados. Estas linhas são a impressão digital de um quasar.
Mais adiante, ainda principalmente no plano do disco de acreção, encontram-se nuvens de gás carregadas de poeira. Eles podem obscurecer o próprio quasar, ocultando o motor central dependendo do seu ângulo.
Depois, há os jatos. Alguns quasares emitem feixes de plasma altamente colimados ao longo do eixo de rotação. Esses jatos se movem a velocidades próximas à velocidade da luz. Eles emitem radiação através de raios X, rádio e, às vezes, comprimentos de onda ópticos. É um farol cósmico, espalhando raios de energia por todo o universo.
Por que a orientação é importante
Esta estrutura complexa significa que a aparência de um quasar depende inteiramente do seu ponto de vista. Especificamente, depende do ângulo do eixo de rotação do disco de acréscimo em relação à sua linha de visão.
Se você olhar para o cano do jato, verá algo muito diferente do que se olhar para o disco de lado. O disco de acreção, as nuvens das linhas de emissão e os jatos tornam-se mais ou menos proeminentes com base nesta geometria. Observamos uma grande variedade de fenômenos, mas fisicamente muitas dessas fontes são semelhantes. Nós apenas os vemos em ângulos diferentes.
Evolução dos quasares
Por que vemos mais quasares no universo primitivo
O universo nem sempre foi tão quieto. Quando olhamos para o cosmos profundo, estamos olhando para trás no tempo. Como a luz leva tempo para chegar até nós, os objetos a distâncias maiores são vistos como eram há bilhões de anos. É por isso que a densidade numérica dos quasares aumenta dramaticamente com o desvio para o vermelho. Não é apenas que haja mais deles longe. É que eles eram simplesmente mais comuns no passado.
Esta tendência atinge o seu pico quando o Universo tinha cerca de três mil milhões de anos. Isto é cerca de dez mil milhões de anos após o big bang. Antes disso, a população ainda estava crescendo. Os quasares mais distantes que conhecemos formaram-se menos de um bilhão de anos após o início de tudo.
A natureza episódica da festa do buraco negro
Quasares individuais não são instalações permanentes. Eles aparecem quando os buracos negros centrais começam a consumir gás em um ritmo furioso. Isso geralmente acontece após uma fusão de galáxias. O buraco negro cresce. Ele brilha. Mas isso não dura.
A atividade do quasar é episódica. Um único episódio pode durar cerca de um milhão de anos. A vida útil total? Cerca de dez milhões de anos. Isso é um piscar de olhos no tempo cósmico. Eventualmente, a alimentação para. O buraco negro fica adormecido. Ele se esconde no centro de uma enorme galáxia, esperando.
Este ciclo de vida avança mais rapidamente para os buracos negros mais pesados. Eles queimam intensamente e morrem jovens. Buracos negros menos massivos demoram. Hoje, os núcleos galácticos ativos (AGN) que vemos são, em sua maioria, galáxias Seyfert de baixa luminosidade com buracos negros menores. Os gigantes já estão dormindo.
Como os buracos negros controlam seus hospedeiros
Existe uma relação estreita entre a massa de um buraco negro e a massa da sua galáxia hospedeira. É estranho porque o buraco negro é minúsculo comparado à galáxia. Representa apenas cerca de 0,1 por cento da massa total. No entanto, contém as chaves para o futuro da galáxia.
Durante a fase quasar, o buraco negro libera radiação intensa. Isso impulsiona fluxos de saída em massa. Ele dispara jatos. Essas forças aquecem o meio interestelar. Eles podem até expelir totalmente o gás da galáxia.
Isto tem dois efeitos principais. Primeiro, interrompe a formação de estrelas. Sem gás, novas estrelas não podem nascer. Em segundo lugar, corta o abastecimento de combustível do próprio quasar. O buraco negro morre de fome. Tanto a massa da estrela quanto a massa do buraco negro congelam no lugar. A galáxia e seu monstro central crescem juntos.
