27.3: Quasares como sondas de evolução no universo
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Trace a ascensão e queda dos quasares ao longo do tempo cósmico
- Descreva algumas das maneiras pelas quais galáxias e buracos negros influenciam o crescimento uns dos outros
- Descreva algumas maneiras pelas quais os primeiros buracos negros podem ter se formado
- Explique por que alguns buracos negros não estão produzindo emissão de quasares, mas estão quiescentes
O brilho e a grande distância dos quasares os tornam sondas ideais dos confins do universo e de seu passado remoto. Lembre-se de que, quando introduzimos os quasares pela primeira vez, mencionamos que eles geralmente tendem a estar distantes. Quando vemos objetos extremamente distantes, os vemos como eram há muito tempo. A radiação de um quasar a 8 bilhões de anos-luz de distância está nos dizendo como eram esse quasar e seu ambiente há 8 bilhões de anos, muito mais perto da época em que a galáxia que o cerca se formou pela primeira vez. Os astrônomos já detectaram luz emitida por quasares que já foram formados apenas algumas centenas de milhões de anos depois que o universo começou sua expansão há 13,8 bilhões de anos. Assim, eles nos dão uma oportunidade notável de aprender sobre a época em que grandes estruturas se reuniram pela primeira vez no cosmos.
A evolução dos quasares
Os quasares fornecem evidências convincentes de que vivemos em um universo em evolução, que muda com o tempo. Eles nos dizem que os astrônomos que viveram bilhões de anos atrás teriam visto um universo muito diferente do universo atual. As contagens do número de quasares em diferentes redshifts (e, portanto, em diferentes momentos da evolução do universo) nos mostram o quão dramáticas são essas mudanças (Figura\(\PageIndex{1}\)). Agora sabemos que o número de quasares era maior na época em que o universo tinha apenas 20% de sua idade atual.
Como você pode ver, a queda no número de quasares à medida que o tempo se aproxima dos dias atuais é bastante abrupta. As observações também mostram que a emissão dos discos de acreção ao redor dos buracos negros mais massivos atinge o pico mais cedo e depois desaparece. Os quasares mais poderosos são vistos apenas nos primeiros tempos. Para explicar esse resultado, usamos nosso modelo da fonte de energia dos quasares, ou seja, que os quasares são buracos negros com combustível suficiente para formar um disco de acreção brilhante ao redor deles.
O fato de existirem mais quasares há muito tempo (longe) do que existem hoje (próximos) poderia ser explicado se houvesse mais material disponível para ser acumulado por buracos negros no início da história do universo. Pode-se dizer que os quasares estavam mais ativos quando seus buracos negros tinham combustível para seus “motores produtores de energia”. Se esse combustível fosse consumido principalmente nos primeiros bilhões de anos após o início da expansão do universo, mais tarde em sua vida, um buraco negro “faminto” teria muito pouco para iluminar as regiões centrais da galáxia.
Em outras palavras, se a matéria no disco de acreção estiver continuamente se esgotando ao cair no buraco negro ou sendo expelida da galáxia na forma de jatos, um quasar pode continuar a irradiar apenas enquanto houver novo gás disponível para reabastecer o disco de acreção.
Na verdade, havia mais gás por perto a ser acumulado no início da história do universo. Naquela época, a maior parte do gás ainda não havia colapsado para formar estrelas, então havia mais combustível disponível tanto para a alimentação de buracos negros quanto para a formação de novas estrelas. Muito desse combustível foi posteriormente consumido na formação de estrelas durante os primeiros bilhões de anos após o início da expansão do universo. Mais tarde em sua vida, uma galáxia teria pouco sobrando para alimentar um buraco negro faminto ou para formar mais novas estrelas. Como vemos na Figura\(\PageIndex{1}\), tanto a formação de estrelas quanto o crescimento de buracos negros atingiram o pico juntos quando o universo tinha cerca de 2 bilhões de anos. Desde então, ambos estão em declínio acentuado. Estamos atrasados para a festa das galáxias e perdemos um pouco da emoção inicial.
Observações de galáxias mais próximas (vistas mais tarde) indicam que há outra fonte de combustível para os buracos negros centrais — a colisão de galáxias. Se duas galáxias de massa semelhante colidirem e se fundirem, ou se uma galáxia menor for puxada para uma maior, então o gás e a poeira de uma podem chegar perto o suficiente do buraco negro na outra para serem devorados por ela e assim fornecer o combustível necessário. Os astrônomos descobriram que as colisões também eram muito mais comuns no início da história do universo do que são hoje. Havia mais galáxias pequenas naqueles tempos iniciais porque com o tempo, como veremos (em A Evolução e Distribuição das Galáxias), galáxias pequenas tendem a se combinar em galáxias maiores. Novamente, isso significa que esperaríamos ver mais quasares há muito tempo (longe) do que vemos hoje (nas proximidades) — como na verdade fazemos.
Codependência de buracos negros e galáxias
Uma vez que as massas de buracos negros começaram a ser medidas de forma confiável no final da década de 1990, elas representaram um enigma. Parecia que a massa do buraco negro central dependia da massa da galáxia. Os buracos negros nas galáxias sempre parecem ter apenas 1/200 da massa da galáxia em que vivem. Esse resultado é mostrado esquematicamente na Figura\(\PageIndex{2}\), e algumas das observações são plotadas na Figura\(\PageIndex{3}\).
De alguma forma, a massa do buraco negro e a massa do bojo de estrelas circundante estão conectadas. Mas por que essa correlação existe? Infelizmente, os astrônomos ainda não sabem a resposta para essa pergunta. Sabemos, no entanto, que o buraco negro pode influenciar a taxa de formação estelar na galáxia e que as propriedades da galáxia circundante podem influenciar a rapidez com que o buraco negro cresce. Vamos ver como esses processos funcionam.
Como uma galáxia pode influenciar um buraco negro em seu centro
Vejamos primeiro como a galáxia circundante pode influenciar o crescimento e o tamanho do buraco negro. Sem grandes quantidades de “comida” fresca, os arredores dos buracos negros brilham apenas fracamente à medida que pedaços de material local espiralam para dentro em direção ao buraco negro. Então, de alguma forma, grandes quantidades de gás precisam chegar ao buraco negro da galáxia para alimentar o quasar e fazê-lo crescer e liberar a energia que deve ser notada. De onde vem originalmente esse “alimento” para o buraco negro e como ele pode ser reabastecido? O júri ainda está de fora, mas as opções são bem claras.
Uma fonte óbvia de combustível para o buraco negro é a matéria da própria galáxia hospedeira. As galáxias começam com grandes quantidades de gás interestelar e poeira, e pelo menos parte dessa matéria interestelar é gradualmente convertida em estrelas à medida que a galáxia evolui. Por outro lado, à medida que as estrelas passam por suas vidas e morrem, elas perdem massa o tempo todo no espaço entre elas, devolvendo parte do gás e da poeira para o meio interestelar. Esperamos encontrar mais gás e poeira nas regiões centrais no início da vida de uma galáxia do que mais tarde, quando grande parte dela foi convertida em estrelas. Qualquer matéria interestelar que se aventure muito perto do buraco negro pode ser acumulada por ele. Isso significa que esperaríamos que o número e a luminosidade dos quasares alimentados dessa forma diminuíssem com o tempo. E, como vimos, isso é exatamente o que encontramos.
Hoje, tanto as galáxias elípticas quanto as protuberâncias nucleares das galáxias espirais têm muito pouca matéria-prima para servir como fonte de combustível para o buraco negro. E a maioria dos buracos negros gigantes em galáxias próximas, incluindo o da nossa própria Via Láctea, agora são escuros e relativamente silenciosos — meras sombras de seus antigos eus. Então isso se encaixa com nossas observações.
Devemos observar que, mesmo que você tenha um buraco negro supermassivo quiescente, uma estrela na área pode ocasionalmente se aproximar dele. Então, as poderosas forças de maré do buraco negro podem separar toda a estrela em uma corrente de gás. Esse fluxo forma rapidamente um disco de acreção que emite energia da maneira normal e transforma a região do buraco negro em um quasar temporário. No entanto, o material cairá no buraco negro depois de apenas algumas semanas ou meses. O buraco negro então volta ao seu estado oculto e quiescente, até que outra vítima passe.
Esse tipo de evento “canibal” acontece apenas uma vez a cada 100.000 anos ou mais em uma galáxia típica. Mas podemos monitorar milhões de galáxias no céu, então alguns desses “eventos de disrupção de maré” são encontrados a cada ano (Figura\(\PageIndex{4}\)). No entanto, esses eventos individuais, por mais dramáticos que sejam, são muito raros para explicar as enormes massas dos buracos negros centrais.
Outra fonte de combustível para o buraco negro é a colisão de sua galáxia hospedeira com outra galáxia. Algumas das galáxias mais brilhantes acabam, quando uma foto detalhada é tirada, em pares de galáxias em colisão. E a maioria deles tem quasares dentro deles, que não são facilmente visíveis para nós porque estão enterrados por enormes quantidades de poeira e gás.
Uma colisão entre dois carros cria uma grande bagunça, empurrando peças para fora de seu lugar normal. Da mesma forma, se duas galáxias colidirem e se fundirem, o gás e a poeira (embora não sejam tanto as estrelas) podem ser empurrados para fora de suas órbitas regulares. Alguns podem se aproximar o suficiente do buraco negro em uma galáxia ou outra para serem devorados por ele e, assim, fornecer o combustível necessário para alimentar um quasar. Como vimos, colisões e fusões de galáxias aconteciam com mais frequência quando o universo era jovem e provavelmente ajudam a explicar o fato de que os quasares eram mais comuns quando o universo tinha apenas cerca de 20% de sua idade atual.
As colisões no universo atual são menos frequentes, mas acontecem. Quando uma galáxia atinge o tamanho da Via Láctea, a maioria das galáxias com as quais ela se funde serão galáxias muito menores — galáxias anãs (veja o capítulo sobre Galáxias). Eles não perturbam muito a grande galáxia, mas podem fornecer algum gás adicional para seu buraco negro.
A propósito, se duas galáxias, cada uma contendo um buraco negro, colidirem, os dois buracos negros podem se fundir e formar um buraco negro ainda maior (Figura\(\PageIndex{5}\)). Nesse processo, eles emitirão uma explosão de ondas gravitacionais. Um dos principais objetivos da missão planejada pela Agência Espacial Europeia LISA (Laser Interferometer Space Antenna) é detectar os sinais de ondas gravitacionais provenientes da fusão de buracos negros supermassivos.
Veja duas galáxias colidirem para formar um buraco negro supermassivo.
Como o buraco negro influencia a formação de estrelas na galáxia?
Vimos que o material nas galáxias pode influenciar o crescimento do buraco negro. O buraco negro, por sua vez, também pode influenciar a galáxia em que reside. Ele pode fazer isso de três maneiras: por meio de seus jatos, por meio de ventos de partículas que conseguem se afastar do disco de acreção e por meio da radiação do disco de acreção. À medida que se afastam do buraco negro, todos os três podem promover a formação de estrelas comprimindo o gás e a poeira circundantes ou, em vez disso, suprimir a formação estelar aquecendo o gás circundante e destruindo as nuvens moleculares, inibindo ou impedindo a formação de estrelas. A energia de saída pode até ser suficiente para deter o acúmulo de novo material e privar o buraco negro de combustível. Os astrônomos ainda estão tentando avaliar a importância relativa desses efeitos na determinação da evolução geral das protuberâncias galácticas e das taxas de formação de estrelas.
Em resumo, vimos como galáxias e buracos negros supermassivos podem influenciar a evolução da outra: a galáxia fornece combustível para o buraco negro, e o quasar pode apoiar ou suprimir a formação de estrelas. O equilíbrio desses processos provavelmente ajuda a explicar a correlação entre buracos negros e massas de bojo, mas ainda não existem teorias que expliquem quantitativamente e em detalhes por que a correlação entre buracos negros e massas de bojo é tão estreita quanto é ou por que a massa do buraco negro é sempre cerca de 1/200 vezes a massa da protuberância.
O nascimento de buracos negros e galáxias
Embora a conexão entre quasares e galáxias esteja cada vez mais clara, o maior quebra-cabeça de todos - a saber, como os buracos negros supermassivos nas galáxias começaram - permanece sem solução. As observações mostram que elas existiam quando o universo era muito jovem. Um exemplo dramático é a descoberta de um quasar que já estava brilhando quando o universo tinha apenas 700 milhões de anos. O que é preciso para criar um grande buraco negro tão rapidamente? Um problema relacionado é que, para eventualmente construir buracos negros contendo mais de 2 bilhões de massas solares, é necessário ter buracos negros gigantes com massas pelo menos 2000 vezes a massa do Sol — e eles devem, de alguma forma, ter sido criados logo após o início da expansão do universo.
Os astrônomos agora estão trabalhando ativamente para desenvolver modelos de como esses buracos negros de sementes podem ter se formado. As teorias sugerem que as galáxias se formaram a partir do colapso de nuvens de matéria escura e gás. Parte do gás formou estrelas, mas talvez parte do gás tenha se depositado no centro, onde ficou tão concentrado que formou um buraco negro. Se isso acontecesse, o buraco negro poderia se formar imediatamente, embora isso exija que o gás não gire muito inicialmente.
Um cenário mais provável é que o gás tenha algum momento angular (rotação) que impeça o colapso direto em um buraco negro. Nesse caso, a primeira geração de estrelas se formará e algumas delas, de acordo com os cálculos, terão massas centenas de vezes maiores que as do Sol. Quando essas estrelas terminarem de queimar hidrogênio, apenas alguns milhões de anos depois, as supernovas com as quais elas terminam criarão buracos negros cerca de cem vezes a massa do Sol. Eles podem então se fundir com outros ou aumentar o rico suprimento de gás disponível nos primeiros tempos.
O desafio é aumentar esses buracos negros menores com rapidez suficiente para criar os buracos negros muito maiores que vemos algumas centenas de milhões de anos depois. Acontece difícil porque há limites na rapidez com que eles podem acumular matéria. Isso deve fazer sentido para você pelo que discutimos anteriormente no capítulo. Se a taxa de acreção ficar muito alta, a energia que flui para fora do disco de acreção do buraco negro se tornará tão forte a ponto de dissipar a matéria que cai.
E se, em vez disso, uma nuvem de gás em colapso não formar um buraco negro diretamente ou se romper e formar um grupo de estrelas regulares, mas permanecer unida e formar uma estrela bastante massiva embutida em um denso aglomerado de milhares de estrelas de menor massa e grandes quantidades de gás denso? A estrela massiva terá uma vida útil curta e logo entrará em colapso para se tornar um buraco negro. Ele pode então começar a atrair o gás denso que o rodeia. Mas os cálculos mostram que a atração gravitacional de muitas estrelas próximas fará com que o buraco negro ziguezague aleatoriamente dentro do aglomerado e impedirá a formação de um disco de acreção. Se não houver disco de acreção, a matéria pode cair livremente no buraco negro de todas as direções. Os cálculos sugerem que, nessas condições, um buraco negro tão pequeno quanto 10 vezes a massa do Sol poderia crescer até mais de 10 bilhões de vezes a massa do Sol quando o universo tivesse um bilhão de anos.
Os cientistas estão explorando outras ideias sobre como formar as sementes de buracos negros supermassivos, e esse continua sendo um campo de pesquisa muito ativo. Seja qual for o mecanismo que causou a rápida formação desses buracos negros supermassivos, eles nos dão uma maneira de observar o universo juvenil quando ele tinha apenas cerca de cinco por cento da idade atual.
Veja alguns novos resultados do Observatório de Raios X Chandra sobre a formação de buracos negros supermassivos no universo primitivo.
Resumo
Quasares e galáxias se afetam mutuamente: a galáxia fornece combustível para o buraco negro, e o quasar aquece e rompe as nuvens de gás na galáxia. O equilíbrio entre esses dois processos provavelmente ajuda a explicar por que o buraco negro parece sempre ter cerca de 1/200 da massa do bojo esférico de estrelas que circunda o buraco negro. Os quasares eram muito mais comuns há bilhões de anos do que são agora, e os astrônomos especulam que eles marcam um estágio inicial na formação de galáxias. Os quasares tinham maior probabilidade de estarem ativos quando o universo era jovem e o combustível para seu disco de acreção estava mais disponível. A atividade quasar pode ser reativada por uma colisão entre duas galáxias, que fornece uma nova fonte de combustível para alimentar o buraco negro.