O quasar J0218−0036 fica subitamente mais silencioso a dez mil milhões de anos-luz

Um farol cósmico a dez mil milhões de anos-luz torna-se inesperadamente silencioso - e obriga os investigadores a rever o que julgavam saber sobre buracos negros.

Um quasar muito distante - o núcleo extremamente luminoso de uma galáxia remota - perde, num intervalo surpreendentemente curto, quase toda a sua potência radiativa. Para os astrónomos, este tipo de queda é um sinal de alerta: os buracos negros gigantes no centro das galáxias parecem “funcionar” de forma muito mais irregular do que durante muito tempo os manuais sugeriram.

Um farol do Universo apaga-se de repente

Os quasares são vistos como holofotes do cosmos. Formam-se quando um buraco negro supermassivo devora enormes quantidades de gás. Nesse processo, um disco de matéria em rotação aquece intensamente e pode brilhar mais do que o resto da galáxia. Na visão tradicional, estas fases durariam muito tempo - muito para além de uma vida humana.

É precisamente esta ideia que agora fica sob pressão. O caso em foco é o quasar J0218−0036. A sua luz viajou cerca de dez mil milhões de anos até chegar até nós. Apesar da distância colossal, os cientistas observam um fenómeno que, à escala cósmica, decorre quase em “câmara rápida”: em pouco menos de duas décadas, o objecto perde a maior parte do seu brilho.

"J0218−0036 mostra que um buraco negro com milhares de milhões de massas solares pode reduzir drasticamente a sua actividade em menos de dois anos - no seu próprio referencial temporal."

Assim, o quasar deixa de parecer um motor constante e passa a assemelhar-se mais a um motor que salta bruscamente de aceleração máxima para ralenti. Este resultado tem implicações concretas para os modelos de evolução das galáxias.

Como os investigadores encontraram o quasar em colapso

Captar a tempo uma queda desta magnitude está longe de ser simples. As variações de brilho em quasares costumam desenrolar-se ao longo de milhares a milhões de anos. Para detectar mudanças, são necessários conjuntos de dados que cubram décadas.

A equipa liderada pelo astrónomo japonês Tomoki Morokuma explorou exactamente isso, ao comparar duas grandes campanhas de cartografia do céu: o Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e a Hyper Suprime-Cam no telescópio Subaru. Na região de céu sobreposta, analisaram 31.549 quasares cuja natureza estava confirmada por espectros.

• 31.549 quasares verificados
• 57 objectos com atenuação invulgar
• 1 caso extremo com quebra drástica: J0218−0036

Só este quasar se destacou de forma clara. Nos dados mais antigos do SDSS, surgia como um ponto compacto e azulado típico - um núcleo activo em plena potência. Em imagens mais recentes, porém, a fonte aparece bastante mais fraca e a galáxia anfitriã torna-se mais evidente. Em alguns intervalos de comprimentos de onda, o brilho caiu em mais de três magnitudes, o que corresponde a uma perda de mais de 90% do fluxo luminoso visível.

Para os investigadores, não se trata de uma oscilação menor: é uma verdadeira mudança de estado físico. O quasar perde luminosidade, enquanto o ambiente galáctico deixa gradualmente de estar submerso num brilho ofuscante.

Óptico e infravermelho contam a mesma história

Para que uma equipa científica possa afirmar que houve uma quebra real de potência do buraco negro, não basta ver uma fonte pontual a empalidecer. Uma alternativa seria a presença de poeira densa entre o quasar e a Terra, reduzindo a visibilidade do núcleo sem que este tenha, de facto, enfraquecido.

Por isso, os astrónomos reuniram dados ao longo de um espectro alargado - do visível ao infravermelho médio. Para além de telescópios no solo, recorreram também aos observatórios espaciais Spitzer e WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer).

As curvas de luz mostram, ao longo de cerca de 20 anos no referencial do observador, uma descida contínua e gradual tanto no visível como no infravermelho. O infravermelho é particularmente decisivo, porque provém de poeira quente aquecida pela radiação gerada muito perto do buraco negro.

"Se até a poeira quente fica mais fraca, isso indica fortemente que o motor central está mesmo a fornecer menos energia - e não apenas que há mais poeira a bloquear a nossa linha de visão."

Os espectros acrescentam mais uma peça ao puzzle. Um espectro antigo SDSS/eBOSS foi comparado com uma observação mais recente feita com o telescópio Keck (instrumento LRIS). As típicas linhas de emissão largas do gás ionizado em torno do buraco negro continuam presentes, mas tornaram-se claramente mais fracas. Ou seja, o quasar não “apaga” instantaneamente: desliza para um estado atenuado, no qual a actividade anterior ainda deixa um eco observável.

Poeira ou uma queda real de potência? O modelo faz a diferença

Para testar a hipótese da poeira como causa principal de forma rigorosa, os investigadores reconstruíram a distribuição de energia do objecto em seis épocas distintas. Depois, separaram o contributo do núcleo activo do contributo da galáxia de fundo, relativamente estável.

De seguida, aplicaram dois modelos:

• Um modelo com uma diminuição real e intrínseca da luminosidade do núcleo.
• Um modelo com atenuação variável causada por poeira ao longo da linha de visão.

Os dois cenários foram comparados estatisticamente. O resultado é inequívoco: a opção com um colapso real de luminosidade ajusta-se muito melhor aos dados. Em termos simples, o buraco negro passou a receber muito menos matéria - o “fluxo de combustível” quase se interrompe.

Particularmente impressionante é o comportamento do chamado parâmetro de Eddington, que indica quão perto o buraco negro está da sua potência teórica máxima. Em J0218−0036, este valor desce, segundo o estudo, de cerca de 0,4 para apenas 0,008. O quasar perde, portanto, a maior parte do seu nível de “potência” inicial.

O que o Quasar J0218−0036 revela sobre a vida de buracos negros gigantes

Em muitos modelos cosmológicos, os buracos negros supermassivos desempenham um papel central. A radiação e os fluxos de partículas que produzem podem expulsar gás das galáxias, travar a formação de estrelas ou estabilizar sistemas inteiros. Frequentemente, assumiu-se que estes motores operam de forma relativamente constante durante épocas muito longas.

Os dados de J0218−0036 contam uma história diferente. Aqui, o motor colapsa de forma extremamente rápida. Ao converter o intervalo observado para o tempo próprio do quasar, os autores falam de menos de dois anos para a maior parte da queda. Os modelos habituais de discos de acreção dificilmente explicam descidas tão abruptas; a adaptação das regiões internas exigiria muito mais tempo.

"O caso J0218−0036 sugere que o ‘interruptor liga-desliga’ dos núcleos galácticos pode ser muito mais nervoso do que as simulações têm assumido."

Em paralelo, o enfraquecimento do núcleo permitiu caracterizar melhor a galáxia anfitriã. O sistema apresenta uma massa estelar considerável, de cerca de 1,4 × 10¹¹ massas solares. Ainda assim, forma poucas estrelas novas - muito menos do que seria típico em galáxias de massa semelhante no Universo jovem. Ou seja, enquanto o quasar reduz a actividade, a própria galáxia já parece relativamente calma.

O que pode estar por trás de um “esgotamento” tão rápido

O que retira a um buraco negro o abastecimento em tão pouco tempo? O estudo não oferece uma resposta definitiva, mas aponta cenários plausíveis:

• Instabilidades no fluxo de acreção: anéis de gás mais densos podem desagregar-se, fazendo com que partes do fluxo interno falhem subitamente.
• Distribuição de gás em grande escala: se o gás disponível no interior da galáxia se esgota ou é redistribuído, o afluxo pode secar.
• Retroacção do próprio quasar: explosões intensas anteriores podem ter aquecido ou expulso o gás circundante, reduzindo o abastecimento posterior.

É provável que vários factores actuem em conjunto. O que parece seguro é que, se uma descida tão rápida ocorre num quasar distante e muito brilhante, então transições semelhantes de “liga e desliga” deverão acontecer em muitas outras galáxias - muitas vezes sem serem detectadas, simplesmente porque ninguém está a observar no momento certo.

Porque este achado muda a forma como pensamos a evolução das galáxias

Para a evolução das galáxias, não importa apenas quão forte é a emissão dos seus buracos negros centrais, mas também quão caótica ou estável é essa actividade. Fases longas e constantes afectam o gás e as estrelas de modo diferente de uma sequência de surtos curtos e intensos com pausas repentinas.

Quem modela galáxias em simulações computacionais terá, por isso, de considerar não só a energia média libertada, mas também o “ritmo”: durante quanto tempo um núcleo opera no máximo? Quão profundas são as fases de recuperação? Observações como as de J0218−0036 fornecem pontos de referência essenciais que, até aqui, estavam em falta.

Mesmo para não especialistas, este caso ajuda a tornar conceitos-chave mais tangíveis: “acreção” significa, de forma simples, matéria a cair sobre um objecto. Num buraco negro supermassivo, a energia gravitacional transforma-se em radiação. Se a acreção colapsa, tudo fica mais silencioso - o buraco negro não desaparece; apenas termina o seu modo de “trabalho” mais luminoso.

Nos próximos anos, novas campanhas de cartografia do céu, como o Observatório Vera C.-Rubin, deverão mapear o firmamento com regularidade. Projectos deste tipo têm grande probabilidade de identificar muitos mais quasares em fases de transição. Então será possível perceber se J0218−0036 é um caso raro - ou apenas o primeiro exemplo bem documentado de toda uma classe de faróis cósmicos em extinção.

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