O Enigma das sementes dos Quasares, e um golão do galáctico CR7!

Alinhamento deslumbrante de Quasares, localizados nas intersecções, ou nódulos, dos filamentos da matéria-escura.
Crédito: imagem eso1438b.
Simulação de estrutura a larga escala.

A Galáxia CR7 não precisa de fragmentar a equipa para obter grandes resultados. Com a sua energia de altas radiações tem um desempenho que leva o melhor da Ciência Universal aos confins do Cosmos!

E, no ensejo, ainda alimenta bebés gigantes!

Errrr…estarei a ser levado por um entusiasmo natural dos grandes resultados desportivos de Portugal, mas é de facto tudo verdade, os resultados foram fabulosos e esta provável descoberta é deslumbrante.

 
O Problema e a Solução.

Será que o problema das sementes que fazem os quasares germinar será resolvido pelo colapso directo da matéria num buraco negro, sem ter havido um aglomerado de estrelas na génese do nascimento dum Quasar?

Um quasar (QSO – ou objecto quasi estrela) é um buraco negro supermaciço e hiper luminoso, e pode ser classificado como uma espécie de Núcleo Galáctico Activo (AGN), dentro dum zoo cosmológico diversificado de AGN’s.

Este tipo de colapso directo terá acontecido a partir das nuvens de gases de Hidrogénio e de Hélio (e umas quantidades residuais de Lítio) que não terão conseguido formar estrelas, como tipicamente sucede.

 
Os mecanismos consensuais.

Os mecanismos de formação dos discos proto-estrelares a partir dos quais as estrelas se formam são a Condensação (sim, essa mesmo que vemos quando os vidros se embaciam no Inverno) de partículas macro mas ainda pequenas, seguida da Acreção de partículas ligeiramente maiores, até que a Gravitação actua e potencia todo este processo de Acreção.

Neste triunvirato cada vez mais intenso geram-se campos magnéticos com 4 vectores (2 por pólo) que excitam de forma poderosa a matéria circundante e que limpam o espaço ao redor, formando um disco, que as observações revelam ser composto com maior abundância de hidrogénio molecular (H2) e por hidrogénio neutro (que é o átomo normal do Hidrogénio e se designa em Astrofísica e em Cosmologia por HI, H-um) dispostos em 3 anéis, como observamos na foto abaixo.

Nuvens de gás de Hidrogénio molecular e de Hidrogénio neutro.
Crédito: Ned/IPAC/Caltech – Education level 5.

É a natureza a seguir a sua favorita norma do caminho mais simples, agregando um protão com um electrão, gerando assim um átomo de Hidrogénio. Ou aumentando a entropia (que deve ser vista como complexidade e não apenas como temperatura) pela formação de moléculas com spins que se cancelam mutuamente, numa valsa de estrutura ultra-fina, com um toque elegante de sofisticação dentro dum esquema harmonioso ainda simples.

As observações desta linha de spectrum proibida do Hidrogénio são extremamente difíceis de se obter, dado que exigem um isolamento e uma calafetagem extrema dos aparatos utilizados. Por analogia descontraída, é como se estivéssemos a meter um disco proto-estrelar com 800 anos-luz de tamanho numa linha com 21 centímetros.

Crédito: Slide Player – Slide 6.
Observations of the All-sky map of emission in the 21-cm line. Galactic plane. Nebula Astrophysics.

Os 4 pólos referidos geram um momento angular (movimento circular, se preferirem) e é a Conservação desse Momentum que explica a órbita da Terra, ainda hoje, em torno, do Sol.

Foi por estes processos e por estes mecanismos que se formaram as primeiras estrelas hiper gigantes, que tiveram pouco tempo de vida, e que colapsaram em buracos negros seminais dos buracos negros supermaciços.

Foi igualmente assim que se formou o sistema solar que contém uma pequena esfera rochosa, a terceira a contar da estrela anã amarela (tipo G2V) que é o nosso muito apreciado Sol.

Pronto, lá por ser pequena e vulgar (~13% das estrelas observadas), também não é caso para não lhe deixarmos esta frase de apreço.

 
A Viagem.

Prossigamos nesta viagem para um passado muito distante, quando o Universo era um jovem adolescente prometedor, e se formavam as primeiras estrelas, seguidas das primeiras Galáxias, como a primordial e agora famosa CR7: uma galáxia que está tão distante que se afasta de nós a uma estonteante velocidade muito próxima da da luz.

Galáxia CR7.
CR7 = Cosmological Redshift 7, ou desvio para o vermelho cosmológico em que Z=7, no caso Z>6

“Com o auxílio do Very Large Telescope do ESO os astrónomos descobriram a galáxia mais brilhante observada até hoje no Universo primordial e encontraram evidências fortes de que este objecto contém estrelas da primeira geração. Estas estrelas massivas e brilhantes, puramente teóricas até agora, foram as criadoras dos primeiros elementos pesados na história — os elementos necessários à formação das estrelas que nos rodeiam actualmente, os planetas que as orbitam e a vida tal como a conhecemos. A galáxia recentemente descoberta chamada CR7 é três vezes mais brilhante do que a galáxia distante mais brilhante que era conhecida até agora.”

Crédito e citação: ESA/ESO.

 
O desvio cosmológico para o vermelho.

Lembramos assim que quanto mais longe estão, mais depressa as galáxias se afastam de nós, arrastadas pela expansão do espaço-tempo onde estão embutidas, sendo assim um movimento aparente no sentido que não é um afastamento causado por um movimento próprio (leiam nas aulas de Astronomia: “não intrínseco”, para o vosso professor sorrir embevecido) das galáxias, mas sim do tecido do espaço-tempo.

 
O Enigma.

Após esta introdução de contexto (com dica para vos aumentar a nota do exame final) temos que os buracos negros de colapso directo podem ser a solução para um enigma de longa data na astronomia: como é que buracos negros supermaciços se formaram nas primeiras épocas do universo?

Gás primordial.
Créditos: Universidade do Texas em Austin, Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, em Cambridge. Massachusetts.

Esta imagem acima é baseada numa simulação de computador do ambiente cosmológico onde o gás primordial sofre o colapso directo para um buraco negro. [Crédito da Simulação computacional: Aaron Smith / TACC / UT-Austin]

O gás flui ao longo dos filamentos de matéria escura que formam uma teia cósmica que liga as estruturas no início do universo. As primeiras galáxias formaram-se na intersecção destes filamentos de matéria escura.

Os astrónomos Aaron Smith e Volker Bromm da Universidade do Texas em Austin, trabalhando com Avi Loeb do Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, descobriram evidências dum tipo raro de buraco negro que nasceu muito cedo no universo.

Mostraram que uma fonte incomum recentemente descoberta de radiação intensa é provavelmente alimentada por um “buraco negro de colapso directo”, um tipo de objecto previsto pelos astrofísicos teóricos em 2006.

“É um milagre cósmico”, disse Bromm, referindo-se ao conjunto preciso de condições presentes 500 milhões de anos após o Big Bang, que permitiu o surgimento desses gigantes. “É a única vez na história do universo em que se reúnem as condições certas” para eles se formarem.

Esses buracos negros de colapso directo podem ser a solução para um enigma de longa data na astronomia: Como é que buracos negros supermaciços se formaram nas primeiras épocas do universo?

Há fortes evidências para a sua existência, dado que eles são necessários para alimentar os quasares extremamente luminosos detectados no jovem universo.

Quasar PKS 1830-211.
Crédito: ALMA telescope/IOP. CR 2.507

Os Problemas.

No entanto, existem vários problemas que deveriam impedir a sua formação, e o processo de crescimento convencional acima descrito é demasiado lento.

Os astrónomos estimam conhecer como crescem os buracos negros supermaciços pesando a massa de milhões de Sóis no coração da maioria das galáxias na nossa época actual.

Começam a partir dum buraco negro “semente,” gerado quando uma estrela extremamente maciça entra em colapso. Este buraco negro semente tem a massa de cerca de 100 Sóis. Puxa o gás que o envolve, tornando-se muito mais maciço, e, eventualmente, pode-se fundir com outros buracos negros seminais. Todo este processo é chamado de Acreção.

A teoria da acreção (ver notas finas em equações) não explica os buracos negros supermaciços muito distantes – os quasares – logo, os que são mais jovens. Visível para nós, apesar de sua distância de milhares de milhões de anos-luz, o brilho incrível de um quasar vem da espiral de matéria dum buraco negro supermaciço, aquecida a milhões de graus, emitindo jactos que brilham como faróis em todo o universo.

Motores de Quasares: (sentido dos ponteiros do relógio a partir da 1H00), a acreção de matéria para buracos negros supermaciços nos centros (ou núcleos) das galáxias energiza a extrema luminosidade dos quasares; Nuvens de poeira de forma geométrica em Torus; visto como um Quasar; Visto como uma Rádio-galáxia; os gases aquecidos brilham à medida que caem para o buraco negro; jactos de partículas produzem ondas rádio. Ao centro: Buraco Negro Supermaciço.
Crédito : Nature.

Estas primeiras galáxias podem ter contido a primeira geração de estrelas formadas após o Big Bang. E embora estas estrelas possam ter entrado em colapso para formar buracos negros, elas não funcionam como sementes de germinação de quasares. Não há gás circundante, para o buraco negro se poder alimentar. Esse gás foi soprado pelos ventos das estrelas muito quentes, recém-formadas.

“A formação de estrelas é antagónica da formação de buracos negros maciços” no início da formação das galáxias, disse Bromm. “As estrelas produzem uma ressonância que sopra para longe a nuvem de gás circundante.”

Durante décadas, os astrónomos têm chamado a este dilema “o problema das sementes de quasar.”

Em 2003, Bromm e Loeb estabeleceram uma ideia teórica para obter duma galáxia primordial a formação dum buraco negro supermaciço seminal, que suprimia a entrada de energia doutra forma proibitiva da formação das estrelas.

Ou seja, para sermos claros, descartavam que houvesse um conjunto de estrelas maciças progenitoras do buraco negro supermaciço gerador do quasar. Seria com recurso a uma só estrela, de vida muito curta, num processo cosmologicamente breve, tão brutal e energético como subtil e esquivo.

É uma alegação extraordinária!

Era uma previsão extraordinária, até uma proposta tão incrível que deixou a comunidade científica céptica e… bastante interessada.

Em todo o caso, requeria e requer evidências extraordinárias, já que a proposta estava no limite, senão para lá, das capacidades da observação.

Seria uma etapa do processo: anular a fase amplamente observada de fragmentação das nuvens de gás progenitoras de sistemas estelares em aglomerados de estrelas gigantes. E ficar com uma estrela hiper-gigante, o que era interessante mas não estava dentro dos limites do equilíbrio hidroestático.

Por palavras mais simples, fazia sentido se os limites impostos pelos processos da física quântica o permitissem, mas todos sabiam que não era, nem é, esse o caso.

 
O Processo.

Os astrónomos mais tarde chamaram a esse processo: “colapso direto”.

Começa com uma “nuvem primordial de hidrogénio e de hélio, submergida num mar de radiação ultravioleta”, adiantou Bromm.

“Esmaga-se esta nuvem no campo gravitacional dum halo de matéria escura. Normalmente, a nuvem seria capaz de arrefecer e de se fragmentar para formar estrelas. No entanto, os fotões ultravioleta mantêm o gás quente, suprimindo assim qualquer formação de estrelas.

Estas são as desejadas condições, quase milagrosas – colapso sem fragmentação! À medida que o gás se torna mais e mais compacto, eventualmente restam as condições para a gestação dum buraco negro maciço.”

Este conjunto de condições cósmicas é extremamente sensível a um período de tempo na história do universo – e este processo não acontece nas galáxias que hoje observamos.

De acordo com Loeb, “Os quasares observados no início do universo parecem bebés gigantes numa sala de parto cheio de crianças comuns.”

Surge a pergunta: O que foi tão especial no ambiente que permitiu a amamentação desses bebés gigantes? No processo típico, o reservatório de gás frio contido nas galáxias próximas, como a Via Láctea é consumido sobretudo pela formação das estrelas.

“A teoria” (de facto ainda uma hipótese teórica, note-se) “foi proposta quando Bromm realizava a sua pesquisa pós-doutouramento sob a minha orientação [em Harvard] e sugeriu que as condições na primeira geração de galáxias eram diferentes. Em vez de gerarem muitas estrelas normais, estas galáxias formaram uma única estrela supermaciça no seu centro, que acabou por colapsar num buraco negro seminal. Daí o gás nesses ambientes ter sido utilizado para alimentar este buraco negro seminal em vez de servir para gerar e alimentar muitas estrelas normais. ”

Bromm e Loeb publicaram a proposta teórica em 2003. “Mas era tudo teórico naquela época”, disse Bromm.

Avançamos rapidamente uma dúzia de anos, e Bromm é agora Professor da Universidade do Texas em Austin (a mesma que tem uma parceria de Educação Científica aqui com o AstroPT) . É aí que Aaron Smith entra em cena.

Smith, Bromm, e Loeb interessaram-se por uma galáxia chamada CR7, identificada a partir dum censo de galáxias do telescópio espacial Hubble chamado COSMOS. O Hubble observou a CR7 que se formou mil milhões de anos após o Big Bang.

David Sobral, da Universidade de Lisboa, tinha feito observações de acompanhamento da CR7 com alguns dos maiores telescópios terrestres do mundo, incluindo o Keck e o VLT. Estes descobriram algumas características extremamente incomuns na assinatura de luz provinda da CR7. Especificamente uma determinada linha de hidrogénio no espectro, conhecida como “Lyman-alfa,” foi várias vezes mais brilhante do que o esperado.

Linha de emissão de Hidrogénio das séries Lyman-alfa.

http://inspirehep.net/record/1358361/plots
Crédito dos dados da Hiperligação: Sobral, David et al. Astrophys.J. 808 (2015) no.2, 139 arXiv:1504.01734 [astro-ph.GA]

Notavelmente, o espectro também mostrou uma linha de hélio extraordinariamente brilhante.

Crédito: Sobral, David et al. Astrophys.J. 808 (2015) no.2, 139 arXiv:1504.01734 [astro-ph.GA]

Bromm concordou: “Precisa que esteja a 100.000 K – muito quente, uma fonte de Ultravioleta de alta intensidade” para que isso aconteça, reforçou.

Podem verificar nos dados tratar-se de radiação UV no sub-tipo longínquo, ou FUV.

Estas e outras características incomuns do espectro, como a ausência de quaisquer linhas detectadas de elementos mais pesados do que o hélio – na gíria astronómica, “metais”, – juntamente com a distância da fonte – e, portanto, a sua época cósmica – significava que este poderia ser tanto um aglomerado de estrelas primordiais como um buraco negro supermaciço provavelmente formado pelo colapso directo.

Smith correu simulações para ambos os cenários, utilizando o supercomputador Stampede no Texas Advanced Computing Center da UT em Austin.

“Nós desenvolvemos um código totalmente novo”, disse Smith, explicando que o seu código modelava o sistema de forma diferente do que as simulações anteriores.

“Os modelos antigos eram como uma fotografia instantânea; este é como um filme”, explicou.

O tipo de modelagem utilizado por Smith é designado por “hidrodinâmica de radiação”, explicou Bromm. “É a abordagem mais cara em termos de consumo de poder de processamento do computador.”

O novo código, no entanto, valeu a pena. O cenário do aglomerado de estrelas “falhou espectacularmente”, disse Smith, enquanto o modelo de buraco negro de colapso directo teve um bom desempenho.

Bromm disse que o seu trabalho é mais do que compreender o funcionamento interno duma jovem galáxia.

“Com a CR7, tivemos uma observação intrigante. Estamos tentando explicá-la e prever o que as observações futuras irão encontrar. Estamos tentando fornecer um quadro teórico abrangente”.

Além de Smith, Bromm, e do trabalho de Loeb, a NASA anunciou recentemente a descoberta de dois candidatos adicionais a buracos negros de colapso directo com base nas observações do Observatório Espacial de Raios-X Chandra.

Parece assim que os astrónomos estão “convergindo para este modelo” para resolver o problema das sementes de quasar, concluiu Smith.

Notas finais:

Em língua portuguesa o emprego da palavra maciço ou massivo é igualmente correcto, sendo a segunda opção um galicismo, muitas vezes preferido pelo uso dos dois “s,” como na palavra massa, mas que não acrescenta qualquer novo significado. É um detalhe sem importância.

Citação:
“O nome CR7 é uma abreviação do COSMOS Redshift 7, uma medida do lugar ocupado em termos de tempo cósmico. Quanto maior o desvio para o vermelho (redshift), mais distante estará a galáxia e mais para trás no tempo da história do Universo se encontra também. A A1689-zD1, uma das galáxias mais velhas alguma vez observada, por exemplo, tem um desvio para o vermelho de 7,5.”

Big Bang: a 3ª fase do Modelo de consenso da Cosmologia, após a era de Planck e a Era da Grande Unificação (dos campos-forças do modelo padrão da Física quântica) parametrizado pelo modelo LCDM (Lambda Cold Dark Matter model)
Lambda = Expansão
Cold Dark Matter = Matéria-escura (ou matéria-negra, mesma coisa) não atómica, ou não bariónica.

A 3ª fase corresponde à da Inflação, e o conjunto destas 3 fases designa-se por primeiro Loop, ou primeira reviravolta.

As evidências deste primeiro Loop são ainda ténues e indirectas, mas logo de seguida no segundo loop, na separação da força electrofraca, 10^-11s após o início da Era de Planck, a descoberta do Bosão, do mecanismo e do campo de Higgs confirma com incrível e notável precisão o modelo do Big Bang.

Assim, o modelo LCDM está confirmado até 0,000 000 000 01 segundos após o início do Tempo.

O modelo explica a Evolução do Universo, não tem como pretensão explicar a origem do Universo, mas inclui o mecanismo da geração de energia sob a forma de matéria e sob a forma de radiação a partir de flutuações quânticas e pelo mecanismo do Principio da Incerteza na configuração Energia versus Tempo, ou seja, gera energia a partir de nada, violando a Conservação da Energia, que é uma modalidade de Conservação de relevância muito acentuada mas não primária, como já é o caso da conservação da carga eléctrica.

Equações:

O mecanismo de acreção em acção requer que uma dada luminosidade extremamente intensa emitida a partir duma região tão pequena do espaço seja um buraco negro.

Temos exemplos observados de quasares com luminosidades de cerca de 100 vezes a luminosidade da Galáxia da Via Láctea.

Essa Luminosidade é emitida a partir duma região do espaço com um diâmetro do tamanho de 1000 (mil) órbitas da Terra.

Notem que esta expressão é verdadeiramente espantosa.

Considera-se a Variabilidade desta espantosa emissão e o seu tamanho (\) por um período (t) de 10 dias.

\ ≲∆t x c

x = multiplicação
c = Velocidade da luz no vácuo

\ ≲10 x 24 x 60 x 60 x 3 x 10^10 cm de metro

∆t = 10 dias que acima já convertemos em segundos.

10^10 = 10 elevado a 10 = 10.000.000.000 = 10 Gigas.

Usando doravante um valor aproximado para a velocidade da luz no vácuo, temos que

c ≈ 3 x 10^10 cm s^-1

Avaliando e retendo apenas um número significativo, temos que

\ ≲3 x 10^16 cm

que de seguida convertemos para unidades de comprimento (distância será o termo arcaico) mais convenientes para objectos astronómicos pelo uso da AU (Unidade Astronómica = distância média da Terra ao Sol ~150 milhões de quilómetros)

\ ≲3 x 10^16 cm / 1.5 x 10^13 cm AU^-1

Resulta que

\ < 2 x 10^3 AU

Resolvendo-se para

\ < 2000 AU

O objecto observado (QSO, quasi-star object, ou quasar) requer ser um buraco negro com

M ~ 10^8 M

M = Massas solares, ou 100.000.000 de vezes a massa de referência do nosso Sol.

Então, temos que a Luminosidade (L) de Acreção (acc), ou Lacc, gerada por um objecto de Massa (M) e de Raio (R*), é

Lacc = GMM / R*

E referimos a equação da taxa de acreção, onde:

M (= dM/dT)

Mas, ainda assim, poderia ser que a taxa de acreção fosse tão simplesmente mais rápida, que a natureza não tivesse um limite superior para esta taxa, que sabemos ser relativamente lenta pelo limite de Eddington.

O Limite de Eddington é um limite de Luminosidade para lá do qual a pressão da radiação causaria, por ser proporcional à Massa, não uma implosão num buraco negro, mas um fluxo de toda a matéria seminal para o exterior da região do espaço observada.

Assim, concluímos termos um buraco negro.

Avanços mais recentes no estudo dos Quasares deveram-se a:

1) Consenso na questão do desvio cosmológico para o vermelho dos quasares pelo “quasar fuzz.”

2) Observações com instrumentos mais sensíveis.

3) O “quasar fuzz” é emitido pelas galáxias onde os quasares estão embutidos. Quasares são uma espécie do zoo de AGN’s.

Fontes secundárias:

O que é uma Lei Física – Richard Feynmann

ESA/ESO – Portugal

An Overview of Active Galaxies – The Open University

Hubble Space Telescope – COSMOS survey

LCDM parameters – Planck telescope

Cosmos – The SAO Encyclopedia of Astronomy

Agradecimento e Incentivo:

Ao jovem Físico português Eduardo Simões, da Universidade de Leiden, nos Países Baixos, pelos excelentes debates em torno do telescópio, e para que o Eduardo receba em público um enorme incentivo para prosseguir no seu Mestrado.

É um prazer revisitar o Principio da Incerteza à luz da tua sugestão da transformação de Fourier. Que tremenda analogia com o som!

Que este post te sirva de inspiração, pelo trabalho excepcional do Físico português David Sobral e dos seus colegas na tua Universidade.