Quasares (versão completa)

Quasares são objetos cósmicos extremos que garantem a classificação de galáxia de núcleo ativo. Um dos fatores de maior destaque dos quasares é o brilho que estes possuem. Um quasar, por si, pode chegar a produzir mais brilho do que 1 milhão de galáxias inteiras (ressalta-se o fato de galáxias possuírem, em média, 100 bilhões de estrelas). Apesar de extremamente poderoso, o tamanho médio de um quasar está em torno de um volume semelhante ao do sistema solar. Mas, afinal, o que é um quasar? Os quasares são buracos negros supermassivos que se alimentam incessantemente, com uma dieta à base de estrelas e poeira, de modo a criarem um disco de acreção (já discutido, em detalhes, em um artigo publicado no projeto jovens na ciência), resultando em uma imensa liberação de energia, como evidenciado na presença de jatos relativísticos.

Os termos “quasar”, “blazar” e “rádio-galáxia”, apesar de distintos, referem-se essencialmente ao mesmo objeto, contudo, é escolhido qual dos termos utilizar a partir do ângulo de observação que tomamos em referência ao objeto mencionado. Caso a observação se dê de forma que o disco de acreção possa ser visto com clareza, é empregado o termo “quasar”. Se a observação resultar em um impedimento da visão da região central do objeto (disco de acreção), devido, por exemplo, à presença de um anel de poeira opaca, é utilizado o termo “radio-galáxia”. Por fim, caso a observação resulte em uma visão apontada para baixo, ao longo do jato relativístico expelido pelos polos do buraco negro, o termo utilizado é “blazar”. Para fins de simplicidade, o termo “quasar” será utilizado ao decorrer do artigo para referenciar o objeto cósmico de estudo.

A descoberta do primeiro quasar (nomeado 3C 273), efetivada pelo esforço do astrônomo Allan Sandage, ocorreu em 1960, por meio do uso de radiotelescópios, dada a imensa radiação nessa faixa do espectro eletromagnético. No início, os quasares foram pensados serem estrelas azuis, contudo, a alta emissão em rádio descartou essa possibilidade. Foi conferido assim o nome de quase-stellar radio source (fonte de rádio quase estelar), que, mais tarde, tornou-se mais compactado no termo “quasar”. A descoberta de quasares trouxe evidências acerca da existência de buracos negros, fato este que agraciou Hawking (devido à escassez de provas da realidade de buracos negros na época), resultando no florescer de diversos trabalhos teóricos.

Mais tarde, no ano de 1963, o astrônomo Maarten Schmidt percebeu que as linhas espectrais do primeiro quasar detectado (3C 273) eram, na verdade, as famosas linhas de emissão do hidrogênio, porém, sob um intenso desvio para o vermelho, resultado do efeito Doppler, o que indicou que o quasar estava se distanciando da Terra a 1/6 da velocidade da luz, sendo isso produto da expansão do Universo. Observações de outros quasares forneceram dados semelhantes.

O mecanismo de brilho dos quasares deve-se aos discos de acreção. Tais discos são aglomerados circulares de matéria/poeira que orbitam um corpo central, no caso, um buraco negro. O gás extremamente quente espirala-se em direção ao buraco negro, de modo a ter sua energia potencial gravitacional convertida em energia térmica e radiação eletromagnética, sendo irradiada na superfície do disco. Os jatos relativísticos observados em quasares (e também em pulsares) tratam-se de jatos de matéria, ao longo dos polos do corpo central, que ejetam partículas extremamente energizadas a velocidades próximas à da luz. Ainda, é teorizado que os jatos relativísticos surjam a partir de interações dos campos magnéticos nos discos de acreção.

Agora que já sabemos o essencial sobre discos de acreção podemos prosseguir para a questão do processo de formação deles. Nos casos mais comuns, a formação de discos de acreção acontece a partir de estrelas azaradas o suficiente para terem seus caminhos acometidos por um devorador cósmico. No caso no qual “estrelas errantes” passam na vizinhança de um buraco negro, as forças de maré primeiro causam um alongamento na estrela e depois, devido à rotação diferencial, há o cisalhamento, transformando assim a estrela em um disco de gás super quente (vulgo disco de acreção). Nesse último período no parágrafo foram empregados termos que descrevem processos físicos que podem não ser familiares e, portanto, serão explicados. A “força de maré” trata-se da diferença da força gravitacional “sentida” ao longo do objeto (exemplo: um astronauta caindo com os pés apontados em direção a um buraco negro consideravelmente pequeno sofrerá o processo de “espaguetificação”, devido à força de maré, já que seus pés sentirão uma atração gravitacional maior que o restante do corpo, provocando assim um “alongamento”). De modo mais formal, a força de maré depende do gradiente do campo gravitacional. A “rotação diferencial” ocorre em objetos (líquidos ou gasosos) em rotação, sendo esses dotados de partes com diferentes velocidades angulares. O “cisalhamento” é, de forma simplificada, a deformação sofrida por um corpo devido à ação de forças as quais causam um deslocamento em planos diferentes de modo a gerar uma “tendência à repartição do corpo”.

Afim de manter-se “saudável”, emitindo tamanha quantia de energia, o buraco negro de um quasar deve manter uma dieta consistente no consumo de várias estrelas por ano. Caso não haja mais matéria disponível para saciar a “fome” do quasar, a emissão de energia é cessada ao decorrer do tempo. Hoje tem-se o conhecimento de que a maioria das galáxias possui um buraco negro supermassivo em seu núcleo galáctico, como no caso do Sagittarius A* na Via-Láctea, porém, a ocorrência de quasares é observada a distâncias de mais de 10 bilhões de anos-luz da Terra (o que torna telescópios ópticos praticamente inúteis). No futuro, em aproximadamente 4.5 bilhões de anos, quando a Via-Láctea colidir com a galáxia vizinha Andrômeda, é bem possível que com a disposição de matéria acrescida, o buraco negro supermassivo da nossa galáxia (que não constitui um núcleo ativo, encontra-se inativo) “acorde”, compondo, assim, um quasar.

Qual a razão da inexistência de quasares próximos? Qual a razão de tais fontes luminosas “apagarem”? Existem dois tipos principais de “mecanismos de desativação” de quasares. O primeiro é resultado da gula dos buracos negros constituintes dos quasares. Ao consumir toda a matéria próxima e irradiar toda a energia, o buraco negro começa a” passar fome” e, por não possuir mais disco de acreção, deixa de brilhar. O outro mecanismo é produto das forças de maré. Quanto maior for um buraco negro (mais massivo e maior horizonte de eventos), menor será a ação das forças de maré (sendo a recíproca verdadeira). Para melhor ilustrar, consideremos a gravitação Newtoniana. Nela, a força gravitacional decresce com o quadrado do raio do objeto e, portanto, ao tratarmos de um buraco negro maior em extensão, estaremos lidando com uma atração gravitacional menos violenta, o que, indiretamente, influencia na ação das forças de maré. Sendo assim, caso o buraco negro venha a tornar-se muito grande, é possível que as forças de maré tornem-se insuficientes para “destroçar” uma estrela, impossibilitando a formação de um disco de acreção, ocasionando na não liberação de energia (quasar não é formado). No caso descrito é provável que a estrela simplesmente seja consumida “em uma mordida” pelo buraco negro.

No céu noturno, podemos observar com facilidade que as estrelas “piscam”/cintilam, isso deve-se ao fato de que os raios luminosos de uma estrela (fonte de luz pontual), ao atravessarem as diversas camadas da atmosfera terrestre, sofrem refração, o que desvia o caminho da luz cada vez que esta é refratada, gerando assim o “piscar das estrelas”. No inicio de 2017 um grupo de pesquisadores australianos notou, por meio do uso de radiotelescópios, que o quasar PKS 1322-110 possuía um brilho variável, sendo que este diminuía e aumentava novamente dentro de horas. Os pesquisadores notaram a presença de uma estrela quente e brilhante próximo ao quasar e questionaram se tal estrela seria a responsável pela variação de brilho em questão. Posteriormente, dois outros quasares, que também piscavam, foram observados, sendo que esses estavam em uma situação semelhante, acompanhados de estrelas quentes e brilhantes. Em observações mais cuidadosas, os astrônomos notaram que nas três estrelas observadas havia a presença de filamentos de gás quente, o que levou os pesquisadores a acreditarem que os filamentos são os responsáveis pelo cintilar da luz dos quasares (a luz, ao passar pela matéria do filamento do gás, sofre um desvio que gera o efeito de variação do brilho). Ressalta-se que o efeito cintilante não é observado em quasares isolados (o que reafirma a explicação dada pelos cientistas).

O plasma, comumente referido como “quarto estado da matéria”, é um estado no qual as partículas encontram-se tão energizadas que o comportamento que exibem se diferencia do “convencional” dos outros estados. O plasma aproxima-se mais do estado gasoso da matéria, devido à liberdade de movimentação das partículas, porém ele permite a condutividade elétrica e adere a campos magnéticos que o atravessam. Os quasares produzem um plasma de matéria a partir do disco de acreção, o qual libera radiação ultravioleta que ioniza os átomos espaço a fora (possibilitando a constituição do plasma).

Os quasares são mais um dos objetos extremos de nosso Universo e ainda escondem muitos mistérios elementares. Devido à enorme distância que se encontram, estão sujeitos a dificuldades de estudo, como no caso da lente gravitacional (consequência da relatividade geral), contudo, com a incrível rapidez da evolução e adaptação da ciência talvez um dia possamos melhor compreender as verdadeiras luminárias do Cosmos.

Material de referência: Morte no buraco negro, Astrofísica para apressados, Origens (Neil deGrasse Tyson); 50 ideias de astronomia que você precisa conhecer (Giles Sparrow e Helena Londres); Do átomo ao buraco negro (Schwarza); http://astro.if.ufrgs.br/galax/quasar.htm http://www.if.ufrgs.br/oei/cgu/cmna/cmna.htm https://www.youtube.com/watch?v=Y52nJ0crFJc

Foto 1: Representação artística de um quasar Foto2: Imagem em raio X do quasar PKS 1127-145, que está a uma distância de, aproximadamente, 10 bilhões de anos-luz da Terra. É possível observar também a presença de um enorme jato de raio X. Foto 3:Modelo de um quasar mostrando os possíveis ângulos de observação do objeto.