O quasar mais brilhante já observado

Título: A Thirty-Four Billion Solar Mass Black Hole in SMSS J2157-3602, the Most Luminous Known Quasar

Autores: Onken, Christopher A.; Bian, Fuyan; Fan, Xiaohui; Wang, Feige; Wolf, Christian; Yang, Jinyi

Instituição do primeiro autor: Research School of Astronomy and Astrophysics, Australian National University, Canberra, Austrália

Status: Aceito pelo MNRAS, acesso livre no arXiv

Estudar objetos astronômicos distantes é como tirar uma foto de como era o Universo quando mais jovem. Devido à velocidade da luz, que é grande mas finita, o tempo que a luz leva desde uma galáxia até nossos olhos (ou telescópios) é maior conforme olhamos cada vez mais fundo. Isso nos leva à possibilidade de estudar como esses objetos se comportavam naquela época, que é muito diferente da atual em vários aspectos. Nesse cenário, quasares são tão importantes que basicamente dominam esse campo Estudar objetos astronômicos distantes é como tirar uma foto de como era o Universo quando mais jovem. Devido à velocidade da luz, que é grande mas finita, o tempo que a luz leva desde uma galáxia até nossos olhos (ou telescópios) é maior conforme olhamos cada vez mais longe. Isso nos leva à possibilidade de estudar como esses objetos se comportavam naquela época, que é muito diferente da atual em vários aspectos. Nesse cenário, quasares são tão importantes que basicamente dominam esse campo de estudo. Graças à sua luminosidade ridiculamente grande (da ordem de 10 a 10 mil vezes a luminosidade da Via Láctea, que por sua vez brilha 25 bilhões de vez mais que o Sol!), quasares podem ser observados nos confins mais distantes do Universo, sendo instrumentos muito úteis no campo da Cosmologia.

Mas o que são quasares exatamente? São basicamente galáxias com um núcleo ativo tão brilhante que ofusca o resto da galáxia, quando observada. Essa característica levou a nomenclatura de quasi-stellar objects (quasar em abreviação), ou objetos “quase estelares” , já que se parecem com estrelas no céu por dominar o brilho superficial em relação à galáxia hospedeira. Mas para brilhar tão intensamente, algo deve diferenciar essas galáxias ativas das com brilho mais “normal”. Uma dessas diferenças está no tamanho do buraco negro central. Para luminosidades de 10 mil vezes a da Via Láctea, o buraco negro supermassivo deve acretar por volta de 200 Sóis por ano, que é tão alta quanto a taxa de formação de estrelas em galáxias jovens! Logo logo esse buraco negro vai ficar ainda mais supermassivo.

O artigo de hoje descreve como os autores encontraram o quasar mais brilhante até hoje, SMSS J215728.21-360215.1 (ou SMSS J2157 para os mais íntimos). O quasar já havia sido descoberto pelo mesmo grupo em um artigo anterior, mas nesse artigo eles fazem uma estimativa mais robusta da sua luminosidade e da massa do seu buraco negro. Os autores utilizam espectros na faixa do infravermelho para medir a linha de emissão do magnésio, Mg II, emitido pelo gás na galáxia (ver Fig. 1). Essa medida é importante para estimar com precisão a distância da galáxia através de seu redshift. Resulta que SMSS J2157 está a um redshift de z = 4,69, quando o Universo tinha apenas 1,2 bilhões de anos, 10% da sua idade atual.

Figura 1: Medição da linha de emissão Mg II. A linha verde corresponde ao ajuste da linha de Mg II somada à outras linhas de Fe II (contribuição mostrada em azul) e ao contínuo de emissão do núcleo ativo (em laranja), feito aos dados observados (em preto). Note que o eixo-x é apresentado tanto em comprimentos de onda observado (inferior) quanto comprimentos de onda da luz emitida pela galáxia (superior). A diferença no comprimento de onda entre emitido e observado é resultado do desvio da luz para o vermelho (redshift). Figura 2 do artigo.

Usando o contínuo espectral na faixa do ultravioleta (observado no infravermelho), os autores chegam à uma luminosidade bolométrica de 4.7 x 1041 watts, ou 36 mil vezes a luminosidade da Via Láctea. É o objeto mais brilhante já encontrado no Universo até o momento. A massa do buraco negro também é uma das maiores já encontrada: 3.4 x 1010 massas solares (por volta de 2% da massa de toda a Via Láctea), estimado usando a velocidade do gás medido na linha de Mg II. Esses valores colocam a pulga atrás da orelha de qualquer pesquisador, e os autores foram checar se não tinha nada de errado com suas estimativas. Eles analisaram imagens de SMSS J2157 no infravermelho e no óptico em busca de arcos gravitacionais. Objetos tão distantes assim são por vezes encontrados pelo efeito de lenteamento gravitacional, o que faz com que sua luminosidade seja amplificada. Como podemos ver na Fig. 2, nada parecido foi encontrado, dando mais segurança ao resultado obtido.

Figura 2: imagens de SMSS J2157 na banda J no infravermelho (esquerda, dados do Magellan/FIRE) e na banda i no óptico (direita, dados do BLISS). A galáxia é o principal objeto circular nas imagens. Nenhum arco gravitacional ou outro objeto além de estrelas de campo são observados na imagem, indicando nenhuma amplificação da luminosidade da galáxia. Figura 3 do artigo.

Conforme ampliamos os projetos de varredura do céu, cada vez com maior sensibilidade, vamos observando objetos mais distantes e em maior número, o que é muito importante para entendermos como o Universo era quando jovem. Apesar de SMSS J2157 ter características impressionantes, outros quasares distantes mostram valores comparáveis de luminosidade e massa de buraco negro, indicando que essa galáxia não é extraordinária. Como galáxias em um Universo tão jovem são capazes de gerar buracos negros tão massivos quanto o de SMSS J2157 ainda é um mistério. Para isso temos que cavar ainda mais fundo, observando galáxias mais distantes e menos brilhantes.

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