Quasar

Um buraco negro comendo tão rápido que ofusca toda a sua galáxia

Passo a passo

Uma estrela que não era

Em 1963 Maarten Schmidt descobriu que um fraco ponto de luz chamado 3C 273 não era uma estrela: sua luz tinha sido esticada pela expansão do universo numa viagem de cerca de 2 bilhões de anos.

3C 273 foi conhecido primeiro como fonte de ondas de rádio, a 273ª do terceiro catálogo de Cambridge. Em 1962 a Lua passou na frente dele, e medir quando suas ondas de rádio sumiam mostrou onde ele estava. Lá havia uma estrela de aparência comum, de magnitude 13, com um rastro fraco ao lado.

Seu espectro não fazia sentido até Schmidt perceber que era o conhecido padrão do hidrogênio, deslocado quase 16% para o vermelho. Só a expansão do universo podia fazer isso, então sua luz viajava havia cerca de 2 bilhões de anos. Algo tão brilhante de tão longe tinha de ser tremendamente poderoso. Esses objetos foram chamados radiofontes quase estelares: quasares.

Mais brilhante que cem Vias Lácteas

3C 273 brilha como 4 trilhões de sóis, cerca de cem vezes toda a Via Láctea, e cintila em poucos dias: toda essa luz vem de uma região de só alguns dias-luz.

Ao redor de 3C 273 há uma galáxia elíptica gigante, mas em fotos comuns ela some no clarão do centro. Só com um coronógrafo, que bloqueia a luz central como a Lua bloqueia o Sol num eclipse, o Hubble pôde vê-la com clareza em 2024.

Se 3C 273 estivesse a 30 anos-luz, brilharia no nosso céu tanto quanto o Sol. Mas sua luz muda em dias, e nada pode acender inteiro mais rápido do que a luz leva para atravessá-lo: a fonte tem só alguns dias-luz, mais ou menos o tamanho do nosso Sistema Solar.

A galáxia é desenhada com um modelo simples de elíptica gigante; quanto o centro é mais brilhante segue as medições.

Um buraco negro se alimentando

No centro há um buraco negro de cerca de 260 milhões de sóis. O gás que cai em espiral é comprimido e aquecido num disco até brilhar mais que todas as estrelas da galáxia juntas.

Quase toda galáxia grande tem um buraco negro supermassivo no centro, e a maioria está quieta. Um quasar é um que está sendo alimentado: gás da sua galáxia, muitas vezes agitado pela colisão com outra galáxia, cai sobre ele mais rápido do que ele consegue engolir.

O gás não consegue cair em linha reta. Como a água num ralo, gira num disco achatado, se atrita, perde energia e avança devagar em espiral, esquentando. A sombra do buraco negro e a luz curvada à sua volta são desenhadas como a relatividade geral diz; os veios do disco são desenhados.

A luz mais feroz

Perto do buraco negro, o disco brilha sobretudo no ultravioleta. Cair nele transforma cerca de um décimo da massa do gás em luz: catorze vezes mais do que a fusão nuclear nas estrelas.

A matéria que cai num buraco negro acelera e esquenta. Quando o gás do disco chega à órbita estável mais interna, poucas vezes o tamanho do horizonte, cerca de um décimo da sua massa já virou calor e luz, e mais se o buraco negro gira depressa.

O Sol, fundindo hidrogênio em hélio, transforma em energia só 0,7% da massa que queima. Por isso buracos negros se alimentando são as luzes constantes mais poderosas do universo. O lado do disco que gira em nossa direção parece mais brilhante e azul: gás a uma boa fração da velocidade da luz lança sua luz para a frente.

O ultravioleta é invisível; o disco é desenhado nas cores do seu calor.

Nuvens em órbitas rápidas

Mais longe, nuvens de gás giram a cerca de 3.000 km/s, a uns 145 dias-luz do centro. Em 2018 um instrumento chamado GRAVITY as viu girar, e isso pesou o buraco negro.

A luz dos quasares mostra linhas largas: as cores de cada elemento ficam borradas porque o gás que as emite se move a milhares de quilômetros por segundo, parte vindo em nossa direção e parte se afastando. Essas nuvens são iluminadas pelo disco dentro delas.

Em 2018 o GRAVITY, que une os quatro telescópios de 8 metros do Very Large Telescope do ESO num só, mediu de onde vinha a luz das nuvens ao longo de 3C 273 e as viu girando: vindo em nossa direção de um lado e se afastando do outro. A rapidez com que giram a essa distância dá a massa do buraco negro, cerca de 260 milhões de sóis (GRAVITY Collaboration 2018).

As cores das nuvens são desenhadas: azul vindo em nossa direção, vermelho se afastando. O giro está acelerado; uma órbita na verdade leva séculos.

Um jato atravessando a galáxia

Parte do gás nunca cai. Lançado ao longo do eixo quase à velocidade da luz, forma um jato de 200.000 anos-luz, o dobro da largura da Via Láctea.

Perto do buraco negro, campos magnéticos enrolados pelo disco e pelo buraco em rotação lançam um pouco do gás ao longo do eixo quase à velocidade da luz. Cerca de um quasar em cada dez tem jatos fortes o bastante para brilhar muito em ondas de rádio.

O jato de 3C 273 aparece até em fotos comuns do Hubble, um rastro de cerca de 200.000 anos-luz. Nós nele parecem correr para fora mais rápido que a luz: uma ilusão, porque se movem quase de frente para nós a quase a velocidade da luz, e sua luz chega amontoada. Seu gêmeo, apontado para longe de nós, é fraco demais para ser visto.

O jato é desenhado em azul-claro, como aparece nas fotos do Hubble.

O mais brilhante de todos

O quasar mais brilhante conhecido, J0529-4351, brilha como 500 trilhões de sóis. Seu buraco negro, de 17 bilhões de sóis, engole por dia o equivalente a mais de um Sol em gás.

J0529-4351 é tão brilhante que por décadas os levantamentos do céu o listaram como estrela. Em 2024 uma equipe liderada por Christian Wolf mostrou, com o Very Large Telescope do ESO, que é um quasar cuja luz partiu há mais de 12 bilhões de anos.

Seu buraco negro tem cerca de 17 bilhões de vezes a massa do Sol e continua crescendo. O disco que o alimenta tem cerca de 7 anos-luz, o maior conhecido, e brilha como mais de 500 trilhões de sóis (Wolf et al. 2024).

O disco é desenhado no tamanho medido. A sombra do buraco negro no meio é pequena demais para aparecer nesta escala.

A era dos quasares

Os quasares eram mais comuns há cerca de 10 bilhões de anos, quando as galáxias eram jovens e cheias de gás. A maioria ficou sem alimento, e os brilhantes são raros hoje.

Como a luz leva tempo para chegar, os quasares mais distantes são também os mais antigos. Contá-los a cada distância mostra que os quasares brilhantes eram cerca de cem vezes mais comuns há 10 ou 11 bilhões de anos do que hoje.

As galáxias então eram ricas em gás e colidiam com frequência, o que levava gás aos seus centros. À medida que o gás foi gasto em estrelas ou expulso, a maioria dos buracos negros se aquietou. Muitas galáxias gigantes de hoje guardam os buracos negros adormecidos de antigos quasares.

O gráfico dá, aproximadamente, a forma encontrada pelos levantamentos. O apagar do quasar aqui é desenhado.

Nosso próprio buraco negro

O buraco negro da Via Láctea, Sagitário A*, tem 4,3 milhões de sóis e mal se alimenta. Mas duas bolhas gigantes de raios gama acima e abaixo da galáxia sugerem que ele se inflamou há poucos milhões de anos.

Sagitário A* é cerca de sessenta vezes mais leve que o buraco negro de 3C 273 e está quase faminto: brilha só como algumas centenas de sóis, sobretudo em ondas de rádio e raios X.

Em 2010 o telescópio espacial Fermi achou dois enormes lóbulos de raios gama, cada um chegando a cerca de 25.000 anos-luz acima e abaixo do centro da galáxia. Seu tamanho e forma sugerem uma explosão vinda do centro há poucos milhões de anos, talvez quando Sagitário A* fez sua última grande refeição.

As bolhas são invisíveis ao olho; aqui são desenhadas em violeta. A Via Láctea é desenhada com um modelo simples.

Faróis que nunca se movem

Os quasares estão tão longe que nunca parecem se mover. Os astrônomos usam milhares deles como os pontos fixos em relação aos quais toda posição no céu é medida.

As estrelas se deslocam pelo céu ao longo dos anos enquanto se movem pela galáxia. Os quasares, a bilhões de anos-luz, ficam parados, e por isso são os melhores pontos de referência que existem.

O Referencial Celeste Internacional, usado para guiar naves e acompanhar a rotação da Terra, é construído sobre as posições de 4.536 radiofontes distantes, quase todas quasares, medidas por radiotelescópios do mundo todo (ICRF3, 2018). A sonda Gaia prende seu mapa de quase dois bilhões de estrelas a cerca de 1,6 milhão de quasares.

Os anéis marcam quasares como um mapa faria; os pontos dentro deles são desenhados.

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TON 618