Em um ano, o Euclid encontrou mais quasares antigos do que a ciência encontrou em uma década

Na última década, confirmar um único quasar alimentado por um buraco negro que já pesava um bilhão de massas solares quando o universo tinha menos de um bilhão de anos exigia um esforço coordenado entre vários telescópios e meses de espectroscopia de acompanhamento. O resultado cumulativo total desses esforços era de aproximadamente dez objetos confirmados. Em seu primeiro ano de operações científicas, o Euclid confirmou doze.

Esse número é o resultado central de um artigo do estudante de doutorado da Universidade de Leiden, Daming Yang, e colegas, publicado na Astronomy & Astrophysics como parte de uma edição especial de 41 artigos baseada no primeiro quarto de dados do céu do Euclid. O catálogo completo contém 31 quasares anteriormente desconhecidos da época mais primitiva do universo — fontes de luz antigas, cada uma queimando com a produção de aproximadamente um trilhão de sóis, alimentadas por buracos negros supermassivos já existentes quando o cosmos era uma fração de sua idade atual.

Os dois objetos mais distantes do catálogo, designados EUCL J172902.75+641018.1 e EUCL J125308.55+705432.3, possuem desvios para o vermelho de 7,77 e 7,69, colocando-os entre os objetos mais distantes já resolvidos individualmente em qualquer levantamento. Sua luz partiu quando o universo tinha aproximadamente 670 milhões de anos.

Como o Euclid identifica objetos que parecem estrelas comuns

Detectar quasares antigos é um problema de agulha no palheiro. Em distâncias extremas, a emissão ultravioleta de um quasar foi esticada pela expansão do universo para o infravermelho próximo, um deslocamento que coloca suas linhas espectrais características em comprimentos de onda que a maioria dos instrumentos terrestres tem dificuldade em alcançar de forma eficiente. Mais praticamente, a aparência vermelha e tênue resultante torna esses objetos quase indistinguíveis de estrelas anãs M muito mais próximas e numerosas em imagens padrão de luz visível. A maioria das detecções anteriores ao Euclid dependia da correspondência de objetos em vários levantamentos de diferentes profundidades e coberturas de filtros, para então priorizar candidatos para o caro tempo de observação em grandes telescópios.

O Euclid aborda ambos os problemas ao mesmo tempo. Seu Espectrômetro e Fotômetro de Infravermelho Próximo (NISP) cobre comprimentos de onda de 0,95 a 2,0 mícrons, exatamente onde a emissão de Lyman-alfa desviada para o vermelho de quasares com z≥7 cai, enquanto simultaneamente captura fotometria de banda larga que permite a seleção inicial de candidatos. A área do levantamento, projetada para eventualmente cobrir um terço do céu em profundidades inatingíveis a partir do solo, gera um volume estatístico grande o suficiente para conter amostras úteis dos objetos mais raros. “Sua luz primordial é tênue e fácil de confundir com a de estrelas mais próximas de nós”, disse Antonio La Marca, pesquisador da ESA na equipe do Euclid.

A equipe de Yang aplicou um algoritmo de seleção fotométrica aos dados Q1, identificou candidatos consistentes com quasares em z≥7 e confirmou as detecções usando o modo espectroscópico do NISP sem exigir uma campanha separada baseada em solo. O ganho de eficiência em relação aos métodos anteriores de levantamento é a diferença entre o resultado cumulativo de uma década e doze objetos confirmados em um ano.

O que o limite de desvio para o vermelho 7 realmente significa

O desvio para o vermelho quantifica o quanto o universo se expandiu desde que um determinado fóton foi emitido. Um desvio para o vermelho de z=7 corresponde a um universo que tinha aproximadamente um oitavo de seu tamanho linear atual, traduzindo-se em um tempo de viagem da luz de cerca de 13 bilhões de anos e uma idade cósmica de 670 milhões de anos após o Big Bang. Naquele momento, o universo estava completando a reionização, a transição na qual a produção ultravioleta das primeiras fontes luminosas ionizou o gás hidrogênio que mantinha o cosmos primitivo opaco.

Quasares com z≥7 estavam entre os principais impulsionadores da reionização, mas também são seu paradoxo: eles exigem buracos negros supermassivos que cresceram rápido o suficiente para atingir bilhões de massas solares em um ponto da história cósmica quando, sob os modelos padrão de formação de estruturas, mal havia tempo para formar as primeiras estrelas. O buraco negro central da Via Láctea, Sagittarius A*, pesa aproximadamente quatro milhões de massas solares e acumulou essa massa ao longo dos 13,8 bilhões de anos de idade do universo. Os buracos negros que alimentam os quasares com z≥7 no catálogo do Euclid pesam centenas a milhares de vezes mais, mas acumularam essa massa em menos de 5% do mesmo período.

“Esses monstros — pesando bilhões de vezes a massa do nosso sol — de alguma forma já existiam quando o universo estava em sua infância”, disse Joseph Hennawi, supervisor de Yang na UC Santa Barbara e coautor do artigo. Encontrar mais de uma dúzia deles em um único ano de dados demonstra que não são anomalias estatísticas: a amostra agora é grande o suficiente para ser tratada como uma população.

O que o catálogo não resolve

Detecções confirmadas adicionais fortalecem um caso quantitativo sem ainda discriminar entre os mecanismos de formação propostos. Os principais candidatos incluem acreção sustentada super-Eddington, na qual o gás cai em um buraco negro semente mais rápido do que o limite canônico de pressão de radiação por períodos longos o suficiente para construir as massas observadas; colapso direto de nuvens massivas de gás primordial em buracos negros semente muito mais pesados do que qualquer remanescente estelar; e fusão rápida de aglomerados estelares densos primitivos antes que a primeira geração de buracos negros supermassivos fosse ativada. Cada mecanismo enfrenta restrições observacionais independentes, e os dados do Euclid ainda não incluem as caracterizações das galáxias hospedeiras necessárias para testá-los diretamente.

O artigo de Yang observa que o catálogo de 31 objetos representa um subconjunto brilhante de uma população subjacente maior, aqueles suficientemente luminosos e na combinação certa de desvio para o vermelho e posição no céu para emergir claramente dos dados Q1. Modelos de completude exigirão o levantamento amplo completo do Euclid, que continua observando. Uma ressalva prática se aplica a todos os 31 objetos: a caracterização da galáxia hospedeira, essencial para testar modelos de formação, exige observações mais profundas do que o próprio levantamento fornece. Silvia Belladitta, do Instituto Max Planck de Astronomia em Heidelberg, realizou espectroscopia de acompanhamento para o segundo objeto mais distante do catálogo; campanhas planejadas baseadas em solo abordarão a amostra completa.

Perguntas comuns sobre os quasares antigos do Euclid

O que exatamente é um quasar e por que seu brilho é importante?

Um quasar é o núcleo intensamente luminoso de uma galáxia alimentado por um buraco negro supermassivo que está ativamente acrecentando gás ao seu redor. À medida que o material se aquece no disco de acreção, ele irradia através do espectro eletromagnético com um brilho capaz de ofuscar todas as estrelas da galáxia hospedeira combinadas. Nas distâncias relatadas aqui, apenas o motor central é detectável; a galáxia hospedeira é muito tênue e compacta para ser resolvida. A luminosidade extrema é o que permite ao Euclid detectar objetos a 13 bilhões de anos-luz de distância.

Por que esses objetos são descritos como um problema para a cosmologia?

Os modelos padrão de crescimento de buracos negros estabelecem um teto natural para as taxas de acreção, conhecido como limite de Eddington. Uma semente de massa estelar, o maior buraco negro que uma estrela pode deixar para trás, acrecentando continuamente a essa taxa, não pode atingir um bilhão de massas solares no tempo disponível entre o Big Bang e a época que esses quasares habitam. Encontrar mais de uma dúzia em um único ano de levantamento significa que eles são comuns o suficiente para que nenhum evento único exótico possa explicá-los; o mecanismo de formação tem que funcionar em escala.

Como o Euclid se compara a levantamentos anteriores para esse tipo de objeto?

O Euclid Wide Survey cobrirá eventualmente aproximadamente 14.000 graus quadrados em sensibilidades no infravermelho próximo que levantamentos terrestres não conseguem igualar em áreas comparáveis. A geração anterior de levantamentos, incluindo o Sloan Digital Sky Survey e o UKIRT Infrared Deep Sky Survey, identificou a maior parte do catálogo anterior de quasares com z≥7 ao longo de mais de uma década de observações combinadas. O instrumento NISP do Euclid realiza o equivalente à seleção inicial e triagem espectroscópica simultaneamente, comprimindo o que anteriormente exigia campanhas separadas em uma única passagem de observação.

O que acontece a seguir neste programa de pesquisa?

A espectroscopia de acompanhamento baseada em solo está planejada para a amostra completa de 31 objetos para refinar as medições de desvio para o vermelho e caracterizar as galáxias hospedeiras. Liberações adicionais de dados do Euclid expandirão o catálogo à medida que o levantamento amplo acumular área do céu. A liberação de dados Q2 do Euclid, que cobriu o bojo galáctico da Via Láctea com 60 milhões de estrelas capturadas em 26 horas de observação, foi publicada no final de junho; liberações subsequentes adicionarão mais área extragaláctica relevante para buscas de quasares de alto desvio para o vermelho. “Ao encontrá-los e estudá-los”, escreveu Yang, “podemos entender melhor como esses sistemas enormes se formaram e cresceram tão rapidamente.”

Referência: Yang et al., “Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,” Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

Tags: astronomia, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars