Os quasares são os objetos mais brilhantes do universo e entre os mais energéticos. Eles ofuscam galáxias inteiras de bilhões de estrelas. Um buraco negro supermassivo está no coração de cada quasar, mas nem todo buraco negro é um quasar. Apenas os buracos negros que estão se alimentando com mais voracidade podem alimentar um quasar. O material que cai no buraco negro supermassivo aquece, e faz com que um quasar brilhe ferozmente em todo o universo como um farol.

Embora os quasares sejam conhecidos por residirem nos centros das galáxias, tem sido difícil dizer como são essas galáxias e como elas se comparam a galáxias sem quasares. O desafio é que o brilho do quasar torna difícil ou impossível extrair a luz da galáxia hospedeira circundante. É como olhar diretamente para o farol de um carro e tentar descobrir a que tipo de automóvel ele está conectado.

Um novo estudo sugere que o Telescópio Espacial James Webb da NASA, previsto para ser lançado em 2021, será capaz de revelar as galáxias hospedeiras de alguns quasares distantes, apesar de seus pequenos tamanhos e poeira obscurecedora.

"Queremos saber em que tipo de galáxias vivem esses quasares. Isso pode nos ajudar a responder a perguntas como:Como os buracos negros podem crescer tanto tão rápido? Existe uma relação entre a massa da galáxia e a massa do buraco negro, como vemos no universo próximo? ", disse a autora principal Madeline Marshall, da University of Melbourne, na Austrália, que conduziu seu trabalho no ARC Center of Excellence in All Sky Astrophysics in 3 Dimensions.

Responder a essas perguntas é desafiador por vários motivos. Em particular, quanto mais distante uma galáxia está, quanto mais sua luz foi esticada para comprimentos de onda mais longos pela expansão do universo. Como resultado, a luz ultravioleta do disco de acreção do buraco negro ou das estrelas jovens da galáxia é deslocada para comprimentos de onda infravermelhos.

Em um estudo recente, astrônomos usaram os recursos de infravermelho próximo do telescópio espacial Hubble da NASA para estudar quasares conhecidos na esperança de detectar o brilho circundante de suas galáxias hospedeiras, sem detecções significativas. Isso sugere que a poeira dentro das galáxias está obscurecendo a luz de suas estrelas. Os detectores infravermelhos de Webb serão capazes de espiar através da poeira e descobrir as galáxias ocultas.

"O Hubble simplesmente não vai longe o suficiente no infravermelho para ver as galáxias hospedeiras. É aqui que Webb realmente se sobressai, "disse Rogier Windhorst, da Arizona State University em Tempe, um co-autor do estudo de Hubble.

Para determinar o que Webb deve ver, a equipe usou uma simulação de computador de última geração chamada BlueTides, desenvolvido por uma equipe liderada por Tiziana Di Matteo na Carnegie Mellon University em Pittsburgh, Pensilvânia.

"O BlueTides foi projetado para estudar a formação e evolução de galáxias e quasares no primeiro bilhão de anos da história do universo. Seu grande volume cósmico e alta resolução espacial nos permitem estudar esses raros quasares hospedeiros em uma base estatística, "disse Yueying Ni da Carnegie Mellon University, quem executou a simulação do BlueTides. O BlueTides oferece uma boa concordância com as observações atuais e permite que os astrônomos prevejam o que Webb deve ver.

A equipe descobriu que as galáxias que hospedam quasares tendem a ser menores do que a média, medindo apenas cerca de 1/30 do diâmetro da Via Láctea, apesar de conter quase tanta massa quanto nossa galáxia. "As galáxias hospedeiras são surpreendentemente minúsculas em comparação com a galáxia média naquele momento, "disse Marshall.

As galáxias na simulação também tendiam a formar estrelas rapidamente, até 600 vezes mais rápido do que a atual taxa de formação de estrelas na Via Láctea. "Descobrimos que esses sistemas crescem muito rápido. Eles são como crianças precoces - eles fazem tudo desde o início, "explicou o co-autor Di Matteo.

A equipe então usou essas simulações para determinar o que as câmeras de Webb veriam se o observatório estudasse esses sistemas distantes. Eles descobriram que distinguir a galáxia hospedeira do quasar seria possível, embora ainda seja um desafio devido ao pequeno tamanho da galáxia no céu.

"Webb abrirá a oportunidade de observar pela primeira vez essas galáxias hospedeiras muito distantes, "disse Marshall.

Eles também consideraram o que os espectrógrafos de Webb poderiam obter desses sistemas. Estudos espectrais, que dividem a luz de entrada em suas cores ou comprimentos de onda componentes, seria capaz de revelar a composição química da poeira nesses sistemas. Aprender a quantidade de elementos pesados ​​que eles contêm pode ajudar os astrônomos a entender suas histórias de formação estelar, já que a maioria dos elementos químicos são produzidos nas estrelas.

Webb também pode determinar se as galáxias hospedeiras estão isoladas ou não. O estudo do Hubble descobriu que a maioria dos quasares tinham galáxias companheiras detectáveis, mas não conseguiu determinar se essas galáxias estavam realmente próximas ou se são superposições casuais. As capacidades espectrais de Webb permitirão aos astrônomos medir os desvios para o vermelho, e, portanto, distâncias, dessas aparentes galáxias companheiras para determinar se estão à mesma distância que o quasar.

Em última análise, As observações de Webb devem fornecer novos insights sobre esses sistemas extremos. Os astrônomos ainda lutam para entender como um buraco negro pode crescer e pesar um bilhão de vezes mais que o nosso Sol em apenas um bilhão de anos. "Esses grandes buracos negros não deveriam existir tão cedo porque não houve tempo suficiente para eles crescerem tanto, "disse o co-autor Stuart Wyithe, da Universidade de Melbourne.

Estudos de quasares futuros também serão alimentados por sinergias entre vários observatórios futuros. Pesquisas infravermelhas com a missão Euclides da Agência Espacial Europeia, bem como o Observatório Vera C. Rubin baseado em terra, uma instalação da Fundação Nacional de Ciência / Departamento de Energia atualmente em construção em Cerro Pachón, no deserto do Atacama, no Chile. Ambos os observatórios aumentarão significativamente o número de quasares distantes conhecidos. Esses quasares recém-descobertos serão então examinados por Hubble e Webb para obter uma nova compreensão dos anos de formação do universo.