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Salvador Nogueira é jornalista de ciência e autor de 11 livros

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Universo adolescente já tinha buracos negros gigantes, e descoberta surpreende astrônomos

Por Salvador Nogueira

O Universo já estava no negócio de fabricar buracos negros gigantes bem antes do que se costuma imaginar. É o que se depreende da descoberta recém-anunciada por um grupo internacional de astrônomos: eles encontraram evidências de um desses glutões cósmicos, com massa equivalente à de 800 milhões de sóis, que já estava lá quando o cosmos tinha apenas 5% de sua idade atual, cerca de 690 milhões de anos.

O objeto, conhecido pela antipática sigla ULAS J1342+0928, é o novo recordista de sua categoria: trata-se do quasar mais distante já encontrado. Sua existência acaba de ser comunicada pelos cientistas em artigo publicado on-line nesta quarta-feira (6) pela revista “Nature” e desafia nossa compreensão de como era — e o que rolava — no Universo jovem.

Imagens do quasar J1342+0928 combinando observações dos telescópios Magellan e Gemini (Crédito: Bañados et al./Nature)

Bem, antes de seguirmos viagem sobre este achado fascinante, façamos uma saudável paradinha para falar de quasares — vai ajudar, prometo.

Quasar é uma daquelas palavras que fazem todo mundo que não é astrônomo coçar a cabeça. “Que diacho afinal é um quasar?!” Trata-se de um sentimento totalmente legítimo. Por um bom tempo, os próprios astrônomos tinham essa angústia. Os primeiros objetos desse tipo, descobertos na década de 1950, eram poderosas fontes de ondas de rádio que, no entanto, ao telescópio óptico, pareciam apenas com o brilho similar ao de estrelas. Daí, em 1964, nasceu o nome: quasar é uma contração da expressão “quasi-stellar radio source”, ou “fonte de rádio quase-estelar”.

Havia, inclusive, na época, a dúvida sobre se os quasares eram objetos muito distantes, localizados fora da Via Láctea, ou eram astros exóticos que habitavam nossa própria galáxia. Investigações posteriores confirmaram que eles eram na verdade extra-galácticos, e nem sempre emitiam copiosamente nas frequências de rádio. Eles deixaram de ser “quasi-stellar radio sources” para ser “quasi-stellar objects”, mas a contração quasar continuou em voga.

Mas tinha mais: constatou-se que muitos desses objetos na verdade residiam no coração das galáxias, e um consenso começou a emergir de que eles eram o resultado da presença de buracos negros gigantescos (chamados pelos cientistas de supermassivos) nos centros galácticos. De fato, quase todas as galáxias parecem ter pelo menos um desses em sua região central, e isso vale também para a nossa modesta Via Láctea.

Certo, buracos negros não são exatamente famosos por emitirem qualquer coisa que seja em grande quantidade. Com efeito, eles têm esse nome justamente porque têm um campo gravitacional tão intenso que, dependendo da distância, nem a luz, a coisa mais rápida do Universo, consegue escapar dele. Então como pode ser que esses quasares emitem tanta radiação a ponto de ser vistos como estrelas, mesmo a bilhões de anos-luz de distância? A resposta está na diferença entre um buraco negro e um buraco negro com fome, no meio de uma refeição.

Coisas caem em buracos negros. Estrelas, gás, planetas, tudo que por acaso chegar perto demais deles vai acabar mergulhando. E, durante o mergulho, vai acelerar, do mesmo modo que um corpo em queda livre, movido pela gravidade da Terra, acelera na direção do chão. E um corpo que acelera ganha energia. E um corpo que ganha energia emite parte dessa energia, na forma de radiação. E é isso, exatamente isso, que os astrônomos enxergam nos quasares — a radiação emitida pela matéria que está sendo loucamente acelerada e prestes a cair num buraco negro supermassivo.

Concepção artística que mostra a evolução do Universo. Nós e nossa galáxia no presente, e conforme mergulhamos no passado encontramos a evolução das galáxias, o nascimento dos quasares e, por fim, a radiação cósmica de fundo: (Crédito: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)

A ERA DOS QUASARES

Agora que você já sabe o que é quasar, podemos ver o que eles nos contam sobre a história do Universo.

Pelo fato de a velocidade da luz ser alta, mas finita, a luz que estamos recebendo hoje aqui na Terra proveniente de astros muito distantes foi emitida muito tempo atrás. Por isso, quanto mais longe olhamos no Universo, mais estamos vendo como ele era no passado.

O estudo de objetos distantes foi a primeira pista que tivemos de que o cosmos está em expansão — o astrônomo Edwin Hubble descobriu em 1929 que, em geral, quanto mais distante está uma galáxia, mais rápido ela parece estar se afastando de nós. A distância até elas ele conseguiu estimar usando como referência um tipo de estrela, as variáveis cefeidas, que pode ser vista mesmo de muito longe, em outras galáxias, e tem sempre o mesmo brilho absoluto. Ou seja, se ela brilha igual em toda parte, comparando o brilho aparente, podemos estimar quais estão mais próximas e quais estão mais afastadas. É basicamente como saber que, numa rua, todas as lâmpadas são de 60 W e aí estimar quais estão mais perto e quais estão mais longe de você vendo quais parecem mais brilhantes.

Certo, mas e a velocidade de afastamento? Como ele podia saber a que velocidade as galáxias estavam se afastando? Entra em cena o “desvio para o vermelho”, mais conhecido como “redshift” — o fato de que fontes de luz que estão se afastando de nós ficam mais avermelhadas do que aquelas que estão paradas. (Fontes que se aproximam, por sua vez, ficam mais azuladas.)

Hubble percebeu que havia uma correlação clara entre distância e redshift. Ou seja, quanto mais distante está uma galáxia, mais rápido ela parece se deslocar para longe de nós. Daí ele derivou a famosa Lei de Hubble, que indica a taxa de expansão do Universo. Combinada com a teoria da relatividade geral de Einstein, ela nos permite estimar quando todas essas galáxias lá fora — toda a massa que hoje parece estar se afastando — esteve reunida num único ponto. Hoje, as estimativas mais precisas dão conta de que isso aconteceu há 13,8 bilhões de anos. Este é o momento do chamado Big Bang.

Analisando o redshift dos quasares (que, como descobriu Hubble, pode ser atrelado à distância), vemos que eles são mais comuns no passado do que no presente do Universo. Quanto mais nosso olhar mergulha nas profundezas do cosmos, mais encontramos exemplares desses núcleos ativos de galáxias, em que buracos negros supermassivos destroçam grandes quantidades de matéria prestes a cair neles, emitindo copiosas doses de radiação.

O pico de atividade dos quasares parece ter acontecido há cerca de 10 bilhões de anos. E o quasar mais distante (e antigo) conhecido até então havia sido descoberto em 2011. Seu redshift indicava que ele estava lá quando o Universo tinha 770 milhões de anos.

O novo achado empurra ainda mais para trás esse recorde. Com redshift ainda maior, ele surgiu apenas 690 milhões de anos.

COMO NASCE UM SUPERBURACO NEGRO?

Pode parecer meio maluco falar em 690 milhões de anos como “apenas”. É um tempo tão grande para nossos padrões cotidianos que parece inimaginável. Mas, na história cósmica, não chega a ser tanto assim. O Sol e a Terra, por exemplo, têm 4,6 bilhões de anos. E é menos tempo ainda se você pensar que um buraco negro conseguiu juntar massa equivalente a 800 milhões de sóis.

O problema toca num dos adoráveis dilemas de Tostines enfrentados pelos astrônomos hoje. Eles sabem que buracos negros supermassivos e galáxias são intimamente ligados, um influenciando a evolução do outro. Mas quem veio primeiro, a galáxia que ajudou a formar o buraco negro supermassivo, ou o buraco negro supermassivo que ajudou a formar a galáxia?

Ninguém sabe a resposta a essa pergunta, mas a nova descoberta ajuda a começar a formulá-la. “A existência desse buraco negro supermassivo quando o Universo tinha apenas 690 milhões de anos de idade, apenas 5% de sua idade atual, reforça modelos precoces de crescimento de buracos negros que permitem buracos negros com massas iniciais de mais de 10 mil massas solares ou acreção hiper-Eddington episódica”, escrevem Eduardo Bañados, da Instituição Carnegie para Ciência, e seus colegas, no artigo da “Nature”.

Resumindo esta ópera aí: aparentemente buracos negros podem crescer bem rápido ou já nascer bem grandinhos. Como? É o que os cientistas esperam entender nos próximos anos, conforme nossos estudos mergulham cada vez mais fundo no Universo.

Os pesquisadores já indicam que sua descoberta coloca o novo quasar e sua galáxia numa época cósmica conhecida como a era da reionização. E tenho certeza de que, se você chegou até aqui, vai querer saber o que é isso.

Bem, voltando àquela aula meio tediosa de química, o que são íons? São partículas com carga elétrica positiva ou negativa. Então pegue um átomo de hidrogênio. Ele tem um próton no núcleo, com carga elétrica +1, e um elétron ao redor, com carga elétrica -1. Na soma, 0. Ele é eletricamente neutro. Agora arranque esse elétron dele, e temos dois íons — o próprio elétron, -1, e o próton solto, +1.

Legal, agora vamos voltar à origem do Universo. A partir da Lei de Hubble, sabemos que ele começou bem quente e denso, compactado num espaço muito pequeno. No início, toda a matéria e energia estavam tão amontoadas, tão apertadas, e tão quentes, com tanto movimento, que nada conseguia parar para se reunir e formar entidades neutras, como um átomo de hidrogênio. Estamos falando de uma era em que o Universo era completamente ionizado. Mas a expansão foi mudando esse jogo — a matéria foi tendo mais espaço e se esfriando. Com isso, finalmente prótons e elétrons puderam fazer seu simpático abraço e o cosmos passou a um estado neutro.

Foi nessa época, inclusive, que a diluição cósmica finalmente permitiu que a luz circulasse livremente. Até então, tudo estava tão amontoado que qualquer partícula de luz que fosse emitida logo trombava com algum íon, e não circulava. O Universo era opaco. Com a expansão, e a neutralização, finalmente a luz foi “libertada” — e essa primeira luz cósmica é justamente o que detectamos hoje como a radiação cósmica de fundo. É ela que nos conta da época em que o cosmos era tão denso que toda matéria estava ionizada e apertada num espaço bem pequeno.

Isso aconteceu mais ou menos 380 mil anos após o Big Bang. E aí o Universo finalmente começou a ganhar sua forma atual. As pequenas flutuações de energia na fase densa acabaram se tornando grandes flutuações na distribuição de matéria, gerando nuvens de gás hidrogênio difuso (com um pouco de hélio) a partir dos quais a gravidade faria sua mágica — mas não tão depressa. Durante um bom tempo, várias centenas de milhões de anos, teríamos um Universo meio sonolento, em que, fora a radiação de fundo, “eco” do Big Bang, havia pouca luz circulando por aí — uma idade das trevas cósmica.

Então, algumas centenas de milhões de anos após o Big Bang — cerca de 550 milhões, segundo a estimativa mais precisa de que dispomos hoje, obtida com os dados do satélite europeu Planck –, a partir dessas nuvens difusas, nasceriam as primeiras estrelas — resultado basicamente da compactação gravitacional agindo sobre elas.

Estrelas fazem algo muito bem — emitem radiação. O Universo começava a se acender, e com isso outro fenômeno também entraria em ação. A radiação luminosa produzida pelas primeiras estrelas iria interagir com os átomos neutros difusos espalhados pelo cosmos, dando-lhes a energia suficiente para separá-los novamente em íons. Temos então a tal “era da reionização”, que pode ser equiparada à “era em que as estrelas começam a iluminar o Universo, que por isso deixa de ser chato e tedioso”.

Há um conjunto de evidências que mostram que o processo de reionização aconteceu relativamente depressa pelo Universo todo. Aparentemente, entre 550 milhões de anos e 900 milhões de anos após o Big Bang, o processo de transformação havia sido concluído. Essa é praticamente a adolescência cósmica, a fase de transição entre o que o Universo era no começo, resultado direto de seu nascimento, e o que ele acabou se tornando — e ainda é até hoje.

O quasar recém-descoberto está bem no meio desse processo. Podemos até imaginar que ele é uma espinha na cara do Universo, uma pista das mudanças que estavam acontecendo com ele naquela época transformadora, sobre a qual ainda sabemos relativamente pouco.

O animador é que devemos descobrir ainda mais sobre esta era crucial nos próximos anos. A próxima geração de telescópios, na Terra e no espaço, nos permitirá estudar com detalhes mais sutis essa época da adolescência cósmica, em que tanta coisa importante aconteceu — dentre elas o surgimento dos primeiros átomos sem os quais hoje não estaríamos aqui, como o carbono, o oxigênio e o nitrogênio, para citar só três.

Esta não é, portanto, só a história do Universo. Esta é também a nossa história. É de onde viemos, e o que nos permitiu estarmos aqui agora, explorando os mais distantes rincões do cosmos com nossos instrumentos. Não sei quanto a você, mas acho particularmente fascinante que sejamos capazes de reconstruí-la passo a passo, ainda que com algumas lacunas. Em vez de estimularem a resignação diante dos grandes mistérios da existência, elas só me deixam com vontade de aprender mais.

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