Quasares: Os Faróis do Cosmos Distante

Um universo iluminado pelos seus núcleos mais violentos

Descoberta e potência dos quasares

Os quasares (abreviatura de "quasi-stellar radio source") estão entre os objetos mais luminosos e energéticos do Universo conhecido. Descobertos em 1963 por Maarten Schmidt (1929-2022), que identificou o redshift extremo do quasar 3C 273, emitem radiações capazes de rivalizar com a luz de dezenas de milhares de galáxias inteiras. A sua potência deriva da acréscimo (acreção: processo de atração de matéria por um objeto massivo sob o efeito da gravidade) de matéria sobre um buraco negro supermassivo situado no centro de uma galáxia ativa.

Natureza física de um quasar

Um quasar não é nem um simples buraco negro, nem uma galáxia. É um estado de atividade do núcleo galáctico, e não um tipo de objeto isolado. O quasar designa o fenómeno de atividade extrema observado no centro de algumas galáxias, e não o objeto material em si.

Conclusão física

O buraco negro é o motor energético, o quasar é o fenómeno observável produzido por esse motor, e a galáxia hospedeira é o quadro gravitacional que contém todo o sistema.

Luminosidade e energia

A luminosidade total de um quasar varia tipicamente de \( 10^{39} \) a \( 10^{41}\ \mathrm{W} \), ou seja, \(10^{12}\) a \(10^{14}\) vezes a do Sol. O quasar mais luminoso conhecido até à data, SDSS J0100+2802 (z = 6,30), atinge cerca de \(3 \times 10^{41}\) W, ou \(4,3 \times 10^{14}\) vezes a luminosidade solar — o equivalente a 40 000 vezes o brilho combinado das 400 mil milhões de estrelas da Via Láctea. Tal energia só pode provir de um mecanismo gravitacional eficiente. A conversão de massa em energia segue a equação relativista \(\,E = \eta m c^2\,\), onde \(\eta\) representa o rendimento de conversão de um disco de acreção relativista: cerca de 0,06 para um buraco negro de Schwarzschild sem rotação, e até 0,4 para um buraco negro de Kerr com rotação quase máxima.

N.B.:
Uma galáxia ativa possui um núcleo extremamente luminoso, alimentado pela acréscimo (acreção: atração gravitacional de matéria) de gás sobre um buraco negro supermassivo. Esta energia, da ordem de \(10^{39}\) a \(10^{41}\ \mathrm{W}\), descrita por \(\,E = \eta m c^2\,\), faz dos AGN (núcleos ativos de galáxias) as fontes contínuas mais poderosas do Universo observável.

Distancias extremas e forte desvio para o vermelho

Os quasares localizam-se a distâncias cosmológicas consideráveis, por vezes superiores a 13 mil milhões de anos-luz. O seu espetro apresenta um forte redshift (desvio espetral para o vermelho, indicador da velocidade de afastamento cósmico) (\(z >7\) para os mais distantes conhecidos), testemunhando uma emissão ocorrida quando o Universo tinha apenas 5 a 10 % da sua idade atual.

Balizas temporais para a reionização

Estas medições permitem aos astrofísicos estudar a época da reionização cósmica, ou seja, a transição do Universo de um estado neutro para ionizado. Os quasares, ao iluminar o meio intergaláctico, são verdadeiras balizas temporais da formação das estruturas cósmicas.

Redshift e distâncias dos quasares

A duração de vida ativa do quasar (que é da ordem de alguns milhões a algumas dezenas de milhões de anos) é independente do tempo que a luz demora a chegar até nós (2,2 mil milhões de anos para o Quasar 3C 273). Quer o quasar ainda esteja ativo hoje ou se tenha apagado há muito tempo, a luz que recebemos viajou durante milhares de milhões de anos.

Física da acreção e jatos relativistas

À volta do buraco negro central, a matéria forma um disco em rotação rápida. As forças de fricção internas convertem a energia potencial gravitacional em radiação eletromagnética.

Campos magnéticos intensos canalizam parte da energia sob a forma de jatos relativistas, capazes de propulsionar partículas a velocidades próximas de \(c\), a velocidade da luz. Estes jatos, observados nomeadamente pela rede de antenas de rádio VLBA (very Long Baseline Array), constituem uma assinatura importante dos Núcleos Ativos de Galáxias (AGN).

Quasares e evolução galáctica

Uma fase transitória da evolução galáctica

As observações sugerem que a maioria das galáxias massivas alberga um buraco negro supermassivo no seu centro. Os quasares representariam uma fase transitória desta evolução galáctica: quando uma afluência de gás desencadeia uma acreção rápida, o núcleo torna-se deslumbrante. Uma vez esgotado o reservatório de matéria, a galáxia estabiliza e o quasar apaga-se.

Coevolução buraco negro – bojo galáctico

A correlação observada entre a massa do buraco negro (\(M_{\mathrm{BH}}\)) e a do bojo galáctico (\(M_{\mathrm{bulge}}\)) sugere uma coevolução governada por processos de retroação energética. As relações empíricas estabelecidas a partir de amostras de galáxias próximas dão uma inclinação de aproximadamente: \( M_{\mathrm{BH}} \propto M_{\mathrm{bulge}}^{1.1} \) (Kormendy & Ho, 2013), com no entanto uma dispersão intrínseca significativa dependendo do tipo de galáxia hospedeira.

O recorde de distância em 2026: os quasares mais antigos alguma vez observados

Uma sucessão de recordes desde os anos 2010

O recorde de distância de um quasar foi batido várias vezes desde os anos 2010, à medida que os grandes levantamentos sondavam redshifts cada vez mais elevados: ULAS J1120+0641 (z = 7,085, descoberto em 2011), depois ULAS J1342+0928 (z = 7,54, descoberto em 2017), e depois J0313-1806 (z = 7,642, descoberto em 2021).

A descoberta do Euclid em julho de 2026

Em 6 de julho de 2026, o telescópio espacial Euclid da Agência Espacial Europeia (ESA) permitiu anunciar a descoberta de 31 novos quasares localizados entre z = 6,6 e z = 7,8, incluindo os dois novos detentores do recorde de distância: EUCL J172902.75+641018.1 (z ≈ 7,77) e EUCL J125308.55+705432.3 (z ≈ 7,69). A sua luz foi emitida apenas 670 milhões de anos após o Big Bang, ou seja, cerca de 5 % da idade atual do Universo. Esta campanha, realizada sobre apenas uma fração dos dados previstos para os seis anos de missão, mais do que duplicou o número de quasares confirmados para além de z = 7, elevando o seu total conhecido de 9 para 23.

Precauções sobre as medições

N.B.: As medições de redshift a estas distâncias extremas comportam uma margem de incerteza, e os recordes de distância já foram revistos várias vezes no passado à medida que novas observações espectroscópicas refinam os valores iniciais.

O desafio do rápido crescimento dos buracos negros supermassivos

Um paradoxo cosmológico

A própria existência destes quasares extremamente distantes coloca um problema físico maior: como é que buracos negros de várias centenas de milhões, ou mesmo vários milhares de milhões de massas solares (o buraco negro de J0313-1806 pesa cerca de 1,6 mil milhões de massas solares), puderam formar-se e crescer em menos de 700 milhões de anos?

Os dois cenários principais

Duas grandes famílias de hipóteses são estudadas para explicar este rápido crescimento: "sementes" de buracos negros de massa intermédia (cerca de 100 massas solares), resultantes do colapso das primeiras estrelas massivas (chamadas de população III), que teriam então acretado matéria a um ritmo próximo ou superior ao limite de Eddington; ou sementes mais massivas desde o início (\(10^4\) a \(10^5\) massas solares), resultantes do colapso direto de nuvens de gás densas sem passar por uma fase estelar intermédia. Ainda não existe consenso sobre o mecanismo dominante, e os futuros dados do Euclid e do telescópio espacial James Webb deverão permitir refinar estes modelos.

Tabela comparativa: Quasares e outros núcleos ativos