O Euclid descobriu mais quasares antigos num ano do que a ciência encontrou numa década

Na última década, confirmar um único quasar alimentado por um buraco negro que já pesava mil milhões de massas solares quando o universo tinha menos de mil milhões de anos exigia um esforço coordenado entre vários telescópios e meses de espectroscopia de seguimento. O resultado cumulativo total desses esforços situava-se em cerca de dez objetos confirmados. No seu primeiro ano de operações científicas, o Euclid confirmou doze.

Esse número é o resultado central de um artigo do estudante de doutoramento da Universidade de Leiden, Daming Yang, e colegas, publicado na Astronomy & Astrophysics como parte de uma edição especial de 41 artigos baseada nos primeiros dados de um quarto do céu do Euclid. O catálogo completo contém 31 quasares anteriormente desconhecidos da época mais antiga do universo — fontes de luz antigas, cada uma ardendo com a produção de cerca de um bilião de sóis, alimentadas por buracos negros supermassivos já em funcionamento quando o cosmos era uma fração da sua idade atual.

Os dois objetos mais distantes do catálogo, designados EUCL J172902.75+641018.1 e EUCL J125308.55+705432.3, têm redshifts de 7,77 e 7,69, colocando-os entre os objetos mais distantes individualmente resolvidos em qualquer levantamento. A sua luz partiu quando o universo tinha aproximadamente 670 milhões de anos.

Como o Euclid identifica objetos que parecem estrelas normais

Detetar quasares antigos é um problema de agulha no palheiro. A distâncias extremas, a emissão ultravioleta de um quasar foi esticada pela expansão do universo para o infravermelho próximo, um desvio que coloca as suas linhas espectrais características em comprimentos de onda que a maioria dos instrumentos terrestres tem dificuldade em alcançar eficientemente. Mais praticamente, a aparência ténue e vermelha resultante torna estes objetos quase indistinguíveis de estrelas anãs-M muito mais próximas e muito mais numerosas em imagens de luz visível padrão. A maioria das deteções anteriores ao Euclid dependia da correspondência de objetos em vários levantamentos de profundidade e cobertura de filtros variados, e depois da priorização de candidatos para dispendioso tempo de observação em grandes telescópios.

O Euclid aborda ambos os problemas ao mesmo tempo. O seu Espetrómetro e Fotómetro de Infravermelho Próximo (NISP) cobre comprimentos de onda de 0,95 a 2,0 micrómetros, exatamente onde cai a emissão de Lyman-alfa desviada para o vermelho de quasares com z≥7, enquanto captura simultaneamente fotometria de banda larga que permite a seleção inicial de candidatos. A área do levantamento, concebida para cobrir eventualmente um terço do céu a profundidades inatingíveis a partir do solo, gera um volume estatístico suficientemente grande para conter amostras úteis dos objetos mais raros. “A sua luz primordial é simultaneamente ténue e fácil de confundir com a de estrelas mais próximas de nós”, disse Antonio La Marca, investigador da ESA na equipa do Euclid.

A equipa de Yang aplicou um algoritmo de seleção fotométrica aos dados Q1, identificou candidatos consistentes com quasares a z≥7 e confirmou deteções usando o modo espetroscópico do NISP sem necessitar de uma campanha terrestre separada. O ganho de eficiência em relação aos métodos de levantamento anteriores é a diferença entre o resultado cumulativo de uma década e doze objetos confirmados num ano.

O que o limiar de redshift 7 significa realmente

O redshift quantifica o quanto o universo se expandiu desde que um dado fotão foi emitido. Um redshift de z=7 corresponde a um universo que tinha aproximadamente um oitavo do seu tamanho linear atual, traduzindo-se num tempo de recuo de cerca de 13 mil milhões de anos e numa idade cósmica de 670 milhões de anos após o Big Bang. Nesse momento, o universo estava a completar a reionização, a transição na qual a produção ultravioleta das primeiras fontes luminosas ionizou o gás hidrogénio que mantinha o cosmos primitivo opaco.

Os quasares com z≥7 estavam entre os principais impulsionadores da reionização, mas são também o seu paradoxo: exigem buracos negros supermassivos que cresceram suficientemente rápido para atingir milhares de milhões de massas solares num ponto da história cósmica em que, segundo os modelos padrão de formação de estruturas, mal havia tempo para formar as primeiras estrelas. O buraco negro central da Via Láctea, Sagitário A*, pesa aproximadamente quatro milhões de massas solares e acumulou essa massa ao longo da idade total do universo de 13,8 mil milhões de anos. Os buracos negros que alimentam os quasares com z≥7 no catálogo do Euclid pesam centenas a milhares de vezes mais, mas acumularam essa massa em menos de 5% do mesmo período.

“Estes monstros — pesando milhares de milhões de vezes a massa do nosso sol — já existiam de alguma forma quando o universo estava na sua infância”, disse Joseph Hennawi, supervisor de Yang na UC Santa Bárbara e coautor do artigo. Encontrar mais de uma dúzia deles num único ano de dados demonstra que não são anomalias estatísticas: a amostra é agora suficientemente grande para ser tratada como uma população.

O que o catálogo não resolve

Deteções confirmadas adicionais fortalecem um caso quantitativo sem ainda distinguir entre os mecanismos de formação propostos. Os candidatos principais incluem acreção super-Eddington sustentada, na qual o gás cai num buraco negro semente mais rapidamente do que o limite canónico de pressão de radiação durante períodos suficientemente longos para construir as massas observadas; colapso direto de nuvens de gás primordiais massivas em buracos negros semente muito mais pesados do que qualquer remanescente estelar; e fusão rápida de aglomerados estelares densos primitivos antes de a primeira geração de buracos negros supermassivos se ativar. Cada mecanismo enfrenta restrições observacionais independentes, e os dados do Euclid ainda não incluem as caracterizações das galáxias hospedeiras necessárias para os testar diretamente.

O artigo de Yang nota que o catálogo de 31 objetos representa um subconjunto brilhante de uma população subjacente maior, aqueles suficientemente luminosos e na combinação certa de redshift e posição no céu para emergirem claramente dos dados Q1. Os modelos de completude exigirão o levantamento extenso completo do Euclid, que continua a observar. Uma ressalva prática aplica-se a todos os 31 objetos: a caracterização da galáxia hospedeira, essencial para testar modelos de formação, exige observações mais profundas do que as fornecidas pelo próprio levantamento. Silvia Belladitta do Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg realizou espectroscopia de seguimento para o segundo objeto mais distante do catálogo; campanhas terrestres planeadas abordarão a amostra completa.

Perguntas comuns sobre os quasares antigos do Euclid

O que é exatamente um quasar e porque é que o seu brilho importa?

Um quasar é o núcleo intensamente luminoso de uma galáxia alimentado por um buraco negro supermassivo que está ativamente a acumular gás circundante. À medida que o material aquece no disco de acreção, irradia em todo o espetro eletromagnético com um brilho capaz de ofuscar todas as estrelas da galáxia hospedeira combinadas. Nas distâncias aqui relatadas, apenas o motor central é detetável; a galáxia hospedeira é demasiado ténue e demasiado compacta para ser resolvida. A luminosidade extrema é o que permite ao Euclid detetar objetos a 13 mil milhões de anos-luz de distância.

Porque é que estes objetos são descritos como um problema para a cosmologia?

Os modelos padrão de crescimento de buracos negros estabelecem um teto natural nas taxas de acreção, conhecido como limite de Eddington. Uma semente de massa estelar, o maior buraco negro que uma estrela pode deixar para trás, acretando continuamente a esta taxa, não consegue atingir mil milhões de massas solares no tempo disponível entre o Big Bang e a época que estes quasares habitam. Encontrar mais de uma dúzia num único ano de levantamento significa que são suficientemente comuns para que nenhum evento único exótico os possa explicar; o mecanismo de formação tem de funcionar à escala.

Como se compara o Euclid a levantamentos anteriores para este tipo de objeto?

O Levantamento Extenso do Euclid cobrirá eventualmente aproximadamente 14 000 graus quadrados a sensibilidades no infravermelho próximo que os levantamentos terrestres não conseguem igualar em áreas comparáveis. A geração anterior de levantamentos, incluindo o Sloan Digital Sky Survey e o UKIRT Infrared Deep Sky Survey, identificou a maior parte do catálogo anterior de quasares com z≥7 ao longo de mais de uma década de observações combinadas. O instrumento NISP do Euclid realiza a seleção inicial e a triagem espetroscópica equivalentes simultaneamente, comprimindo o que anteriormente exigia campanhas separadas numa única passagem de observação.

O que acontece a seguir neste programa de investigação?

A espectroscopia de seguimento a partir do solo está planeada para a amostra completa de 31 objetos para refinar as medições de redshift e caracterizar as galáxias hospedeiras. Futuras divulgações de dados do Euclid expandirão o catálogo à medida que o levantamento extenso acumula área do céu. A divulgação de dados Q2 do Euclid, que cobriu o bojo galáctico da Via Láctea com 60 milhões de estrelas capturadas em 26 horas de observação, foi publicada no final de junho; divulgações subsequentes adicionarão mais área extragaláctica relevante para as buscas de quasares de alto redshift. “Ao encontrá-los e estudá-los”, escreveu Yang, “podemos compreender melhor como estes sistemas enormes se formaram e cresceram tão rapidamente.”

Referência: Yang et al., “Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,” Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

Etiquetas: astronomia, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars