Uma equipe de astrônomos liderados pela Universidade do Arizona observou um quasar luminoso a 13,03 bilhões de anos-luz da Terra - o quasar mais distante descoberto até hoje. Datado de 670 milhões de anos após o Big Bang, quando o universo tinha apenas 5% de sua idade atual, o quasar hospeda um buraco negro supermassivo equivalente à massa combinada de 1,6 bilhão de sóis.

Além de ser o mais distante - e por extensão, mais antigo - quasar conhecido, o objeto é o primeiro de seu tipo a mostrar evidências de um fluxo de vento de gás superaquecido escapando dos arredores do buraco negro a um quinto da velocidade da luz. Além de revelar um forte vento impulsionado por um quasar, as novas observações também mostram intensa atividade de formação de estrelas na galáxia hospedeira onde o quasar, formalmente designado J0313-1806, está localizado.

Os pesquisadores apresentarão suas descobertas, que foram aceitos para publicação em Astrophysical Journal Letters , durante uma coletiva de imprensa e uma palestra científica no 237º Encontro da Sociedade Astronômica Americana, que será realizado virtualmente de 11 a 15 de janeiro.

O detentor do recorde anterior entre os quasares no universo infantil foi descoberto há três anos. A equipe do UArizona também contribuiu para essa descoberta. Pensa-se que os quasares resultam de buracos negros supermassivos devorando a matéria circundante, como gás ou até estrelas inteiras, resultando em um turbilhão de matéria superaquecida conhecido como um disco de acreção que gira em torno do buraco negro. Por causa das enormes energias envolvidas, quasares estão entre as fontes mais brilhantes do cosmos, frequentemente ofuscando suas galáxias hospedeiras.

Embora J0313-1806 esteja apenas 20 milhões de anos-luz mais distante do que o detentor do recorde anterior, o novo quasar contém um buraco negro supermassivo duas vezes mais pesado. Isso marca um avanço significativo para a cosmologia, uma vez que fornece a restrição mais forte à formação de buracos negros no início do universo.

"Esta é a primeira evidência de como um buraco negro supermassivo está afetando sua galáxia hospedeira ao seu redor, "disse o principal autor do jornal, Feige Wang, um membro do Hubble no Observatório de Steward do UArizona. "A partir de observações de galáxias menos distantes, sabemos que isso tem que acontecer, mas nunca vimos isso acontecer tão cedo no universo. "

Quasares que já acumularam milhões, se não bilhões, de massas solares em seus buracos negros em uma época em que o universo era muito jovem representam um desafio para os cientistas que tentam explicar como eles surgiram quando mal tinham tempo para fazê-lo. Uma explicação comumente aceita da formação de buracos negros envolve uma estrela explodindo como uma supernova no final de sua vida e colapsando em um buraco negro. Quando esses buracos negros se fundem com o tempo, eles podem - teoricamente - se transformar em buracos negros supermassivos. Contudo, da mesma forma que exigiria muitas vidas para construir um fundo de aposentadoria, colocando um dólar a cada ano, os quasares no início do universo são um pouco como os milionários de bebês; eles devem ter adquirido sua massa por outros meios.

O quasar recém-descoberto fornece uma nova referência ao descartar dois modelos atuais de como buracos negros supermassivos se formam em escalas de tempo tão curtas. No primeiro modelo, estrelas massivas que consistem principalmente de hidrogênio e não possuem a maioria dos outros elementos que compõem estrelas posteriores, incluindo metais, formar a primeira geração de estrelas em uma galáxia jovem e fornecer o alimento para o buraco negro nascente. O segundo modelo envolve aglomerados de estrelas densas, que colapsam em um enorme buraco negro desde o início.

Quasar J0313-1806, Contudo, possui um buraco negro muito grande para ser explicado pelos cenários mencionados, de acordo com a equipe que o descobriu. A equipe calculou que se o buraco negro em seu centro se formou tão cedo quanto 100 milhões de anos após o Big Bang e cresceu o mais rápido possível, ainda teria que ter pelo menos 10, 000 massas solares para começar.

"Isso lhe diz que não importa o que você faça, a semente deste buraco negro deve ter se formado por um mecanismo diferente, "disse o co-autor Xiaohui Fan, Professor Regentes e chefe associado do Departamento de Astronomia do UArizona. "Nesse caso, aquele que envolve grandes quantidades de primordial, gás hidrogênio frio colapsando diretamente em um buraco negro de semente. "

Como esse mecanismo não requer estrelas de pleno direito como matéria-prima, é o único que permitiria que o buraco negro supermassivo do quasar J0313-1806 crescesse até 1,6 bilhão de massas solares em um período tão inicial no universo. Isso é o que torna o novo quasar recorde tão valioso, Fan explicou.

"Depois de reduzir os redshifts, todos os modelos poderiam explicar a existência desses quasares menos distantes e menos massivos, "disse ele." Para que o buraco negro tenha crescido ao tamanho que vemos com J0313-1806, teria que ter começado com um buraco negro de semente de pelo menos 10, 000 massas solares, e isso só seria possível no cenário de colapso direto. "

O quasar recém-descoberto parece oferecer um raro vislumbre da vida de uma galáxia no início do universo, quando muitos dos processos de formação de galáxias que já diminuíram ou cessaram em galáxias que existem há muito mais tempo ainda estavam em pleno andamento .

De acordo com os modelos atuais de evolução da galáxia, buracos negros supermassivos crescendo em seus centros podem ser a principal razão pela qual as galáxias finalmente param de fazer novas estrelas. Atuando como um maçarico de proporções cósmicas, quasares explodem em seus arredores ferozmente, limpando efetivamente sua galáxia hospedeira de grande parte do gás frio que serve como matéria-prima a partir da qual as estrelas se formam.

"Achamos que esses buracos negros supermassivos foram a razão pela qual muitas das grandes galáxias pararam de formar estrelas em algum ponto, "Fan disse." Observamos esta 'extinção' em redshifts mais baixos, mas até agora, não sabíamos quão cedo esse processo começou na história do universo. Este quasar é a primeira evidência de que a extinção pode ter acontecido em tempos muito antigos. "

Ao medir a luminosidade do quasar, A equipe de Wang calculou que o buraco negro supermassivo em seu centro está ingerindo a massa equivalente a 25 sóis a cada ano, na média, que se acredita ser a principal razão para seu vento de plasma quente de alta velocidade soprando na galáxia ao seu redor em velocidade relativística. Para comparação, o buraco negro no centro da Via Láctea tornou-se quase totalmente adormecido.

E enquanto a Via Láctea forma estrelas no ritmo vagaroso de cerca de uma massa solar a cada ano, J0313-1806 produz 200 massas solares no mesmo período.

"Esta é uma taxa de formação de estrelas relativamente alta, semelhante ao observado em outros quasares de idade semelhante, e nos diz que a galáxia hospedeira está crescendo muito rápido, "Disse Wang.

"Esses quasares provavelmente ainda estão no processo de construção de seus buracos negros supermassivos", acrescentou Fan. "Hora extra, o fluxo de saída do quasar aquece e empurra todo o gás para fora da galáxia, e então o buraco negro não tem mais nada para comer e vai parar de crescer. Esta é uma evidência sobre como essas primeiras galáxias massivas e seus quasares crescem. "

Os pesquisadores esperam encontrar mais alguns quasares do mesmo período, incluindo potenciais novos recordes, disse Jinyi Yang, o segundo autor do relatório, quem é Peter A. Strittmatter Fellow no Steward Observatory. Yang e Fan estavam observando no telescópio Magellan Baade de 6,5 metros no Observatório Las Campanas, no Chile, na noite em que J0313-1806 foi descoberto.

"Nossa pesquisa de quasares cobre um campo muito amplo, permitindo-nos examinar quase metade do céu, "Yang disse." Selecionamos mais candidatos sobre os quais vamos acompanhar com observações mais detalhadas. "

Os pesquisadores esperam descobrir mais sobre os segredos do quasar com observações futuras, especialmente com James Webb Space Telescope da NASA, atualmente com lançamento previsto para 2021.

"Com telescópios terrestres, só podemos ver uma fonte pontual, "Disse Wang." Observações futuras podem tornar possível resolver o quasar em mais detalhes, mostrar a estrutura de sua saída e até que ponto o vento se estende em sua galáxia, e isso nos daria uma ideia muito melhor de seu estágio evolutivo. "