28 de ago de 2013

O quasar: monstro energético ou grande desconhecido?

Décimo quarto capítulo da série "O Reino das Galáxias"
Domingos Sávio de Lima Soares
29 de agosto de 2008
Publicado originalmente na página do autor


 

Para começo de conversa, o quasar é mais um "habitante" deste imenso universo! Um objeto cósmico, assim como são as estrelas, os planetas, os cometas, as galáxias, etc.
Os quasares foram descobertos em 1960, de uma forma bastante interessante. Eles se mostraram aos seres humanos pela primeira vez como fontes de ondas de rádio! Ao serem localizadas no céu, estas fontes se apresentaram com a aparência de uma estrela azulada! Mas não são estrelas, apenas têm a aparência peculiar de uma estrela, ou seja, um ponto luminoso. Destas características originou-se o seu nome. A palavra "quasar" é um acrônimo referente à expressão em inglês "quasi-stellar radio source", ou, "fonte de rádio quase-estelar".
Os quasares são também chamados, de forma mais geral, de QSOs. QSO é a sigla, em inglês, para "quasi-stellar object", ou, "objeto quase-estelar".
Mas vamos à história da descoberta destes objetos. Muitas galáxias emitem ondas de rádio. As ondas de rádio são ondas eletromagnéticas, como a luz visível, mas com comprimentos de onda da ordem de centímetros ou metros. As ondas, de modo geral, são semelhantes às ondas em uma corda esticada, que é posta para ondular. O comprimento de onda é a distância entre dois picos sucessivos na corda. Esta idéia também pode ser aplicada às ondas eletromagnéticas, só que, neste caso, as oscilações são referentes a uma entidade física denominada campo eletromagnético. Os nossos familiares aparelhos de rádio, que utilizamos para escutar músicas ou ouvir as últimas notícias, são na verdade verdadeiros detectores de ondas eletromagnéticas na faixa de comprimento de onda de metros. A luz visível possui um comprimento de onda muito pequeno. Desde a cor violeta até o vermelho -- o espectro visível --, os comprimentos de onda são da ordem de milésimos de milímetro! A propósito, o nosso olho é um excelente detetor de luz visível, e as folhas das plantas são excepcionais detetores da luz visível solar, que utilizam para a fotossíntese de matéria orgânica.
Ora, no final da década de 1950, os astrônomos já haviam observado muitas radiofontes, utilizando os recém-inventados radiotelescópios. Os radiotelescópios são enormes "pratos" metálicos de perfis parabólicos -- alguns chegam a ter 20 metros de diâmetro -- que focalizam as ondas de rádio nos detetores localizados nos focos dos pratos. A grande maioria das radiofontes eram as galáxias, chamadas, por isso, de radiogaláxias. A emissão em rádio das galáxias estende-se muito além das fronteiras de sua luz visível, geralmente, na forma de dois enormes lobos de emissão situados em direções opostas relativamente ao centro das galáxias. Quanto menores estes lobos mais distante está a radiogaláxia. Acontece que haviam muitas radiofontes cujos lobos simplesmente não existiam! A emissão de rádio não era extensa mas vinha de um ponto. Isto parecia indicar que estes objetos deveriam estar muito distantes de nós. O radioastrônomo norte-americano Thomas Matthews selecionou dez destas radiofontes e determinou as suas posições no céu. 


 
  Radiogaláxia Centauro A, localizada na constelação de Centauro, onde está a estrela mais próxima de nós. Trata-se de uma galáxia bastante peculiar onde vê-se uma galáxia de disco, espiral, vista de perfil, sobreposta a uma galáxia elíptica, em cor branca na imagem. Provavelmente, a galáxia espiral "caiu" sobre a gigante elíptica e as duas estão em processo de fusão. Os enormes lobos de radioemissão estão representados em cor azul.
(Crédito: Jack O. Burns e David Clarke -- rádio -- e National Optical Astronomy Observatories, Estados Unidos -- óptico) 


 
Vem em seguida o astrônomo, também norte-americano, Allan Sandage (1926-), que havia trabalhado sob a orientação do famoso Edwin Hubble (1889-1953). Ele tomou para si a tarefa de localizar a origem destas radiofontes, ou seja, a sua contrapartida visível no céu. Uma das fontes, selecionadas por Matthews, era denominada 3C 48, isto é, a quadragésima oitava radiofonte do terceiro catálogo do Rádio-observatório de Cambridge, na Inglaterra.
Sandage apontou o telescópio de 5 metros de diâmetro do Observatório do Monte Palomar para a posição da radiofonte, que está localizada na constelação do Triângulo. Ele então assinalou, na fotografia que obteve, a posição da radiofonte e, para sua surpresa, verificou que ela coincidia com uma fraquíssima estrela! Mas as estrelas não emitem ondas de rádio daquela grandeza. Seria esta uma nova categoria de radiofonte, uma radioestrela? O passo seguinte dado por Sandage foi obter um espectro da radiação visível emitida pela estranha "estrela". Um espectro de radiação é a distribuição da intensidade da radiação nos diversos comprimentos de onda. As estrelas possuem espectros de radiação visível bastante característicos, inconfundíveis. Mas o espectro daquele objeto mostrou-se completamente diferente de qualquer espectro estelar jamais observado! "Aquilo", definitivamente, não era uma estrela! O espectro de um objeto astronômico permite ao astrônomo identificar, entre outras coisas, os elementos químicos responsáveis pela radiação presente no espectro. E Sandage, astrônomo experiente, não conseguiu identificar nenhuma característica de qualquer elemento químico conhecido. Tratava-se certamente de um novo habitante do Cosmos! Descoberto porque emitia ondas de rádio, de origem até então desconhecida.
 
O astrônomo Allan Sandage, que entre outras grandes contribuições para a astronomia, identificou o primeiro quasar, a radiofonte 3C 48.
(Crédito: Domínio público) 

 
Para completar a descoberta, entra em cena um astrônomo holandês, radicado nos Estados Unidos: Maarten Schimdt. Ele estudou outro quasar da lista de Matthews, 3C 273, e descobriu algo extraordinário. Analisando o espectro visível de 3C 273, ele percebeu que se os comprimentos de onda da luz fossem deslocados por cerca de 16% para comprimentos de onda maiores, ele conseguia identificar a familiar radiação emitida pelo átomo de hidrogênio! Esta radiação aparecia no espectro na forma de linhas espectrais de emissão.
E mais, isto se encaixava como uma luva no modelo da cosmologia padrão, que afirma que o universo está em expansão. A expansão do espaço faz com que a radiação de objetos distantes tenha o seu comprimento de onda aumentado, proporcionalmente à distância em que o objeto se encontra. Este fato observacional fora descoberto por Edwin Hubble, no final da década de 1920. Mas para que houvesse um deslocamento de 16%, isto significaria que 3C 273 deveria estar a uma distância fabulosa de nós!
E esta idéia foi logo aplicada a 3C 48, e ele revelou-se mais dramático: se o espectro fosse deslocado de 37% em direção a comprimentos de ondas maiores, o espectro revelava cristalinamente as mesmas linhas do átomo de hidrogênio. Ele deveria, de acordo, com a cosmologia padrão estar ainda mais distante que 3C 273. A propósito, dizemos no jargão astronômico, que os espectros dos quasares estavam "deslocados para o vermelho", pois no espectro visível a cor vermelha possui o maior comprimento de onda. Ainda, de acordo com a cosmologia padrão -- a cosmologia do Big Bang, ou Estrondão -- 3C 48 deve estar a mais de 5 bilhões de anos-luz e 3C 273 a aproximadamente 3 bilhões de anos-luz! A estas distâncias, eles devem ser verdadeiros "monstros energéticos", de forma a que os brilhos óptico e de ondas de rádio possam ser explicados. Os quasares mais brilhantes chegam a ter um brilho intrínseco de mais de 100.000 vezes o brilho de uma galáxia como a Via Láctea, se estiverem realmente a estas distâncias!
Para se ter uma idéia da grandeza das distâncias dos quasares, as galáxias relativamente próximas de nós, como, por exemplo, as galáxias do aglomerado de galáxias de Virgem, possuem espectros deslocados para o vermelho de cerca de 0,5%, e estão localizadas a cerca de 20 milhões de anos-luz.
Com poderia ser gerada tamanha quantidade de energia nos quasares? Ainda não existe uma teoria completa firmemente estabelecida. A teoria que prevalece envolve a existência de outro objeto estranho: um buraco negro. O buraco negro é um objeto, previsto pela teoria de gravitação de Albert Einstein (1879-1955) -- a Teoria da Relatividade Geral --, cuja principal característica é a existência de uma atração gravitacional gigantesca em suas imediações. Esta atração tende para o infinito em seu centro. O seu tamanho é, convencionalmente, dado pela distância a partir de seu centro, onde a atração gravitacional é tão grande que é capaz de "segurar" a própria luz que porventura queira dele escapar. Trata-se de um objeto cósmico de caráter teórico ainda sem existência definitivamente comprovada.
A idéia geral, investigada pelos astronômos, é a de que exista um buraco negro no centro dos quasares que "engole" a matéria vizinha. Este buraco negro deve ter dimensões semelhantes ao do sistema solar e possuir massa equivalente a centenas de milhões de vezes maior que a massa de nosso Sol! Pois bem, a matéria localizada nas vizinhanças deste buraco negro cai em direção ao buraco negro e adquire altíssimas velocidades. Os processos de interação mútua deste material em queda, a velocidades próximas da velocidade da luz, é que geram a radiação observada dos quasares, os quais emitem não só no visível e na faixa de rádio mas também em raios X e em outros comprimentos de onda. Em geral, os quasares estão localizados no centro de uma galáxia hospedeira. Como eles estão tão distantes, e o seu brilho é tão grande, as galáxias hospedeiras não são claramente detectadas nas observações. Por exemplo, verificou-se posteriormente que 3C 273 está localizado no centro de uma galáxia elíptica. As galáxias hospedeiras fornecem o material a ser "engolido" pelo buraco negro do quasar. Todo este cenário é feito a partir do ponto de vista da cosmologia padrão e ainda é motivo de investigações, mas é aceito pela maioria dos astrofísicos e cosmólogos. Neste cenário, os quasares estão provavelmente ligados aos processos de formação das galáxias que vemos no universo próximo de nós.
A propósito, como mencionado acima, os quasares são uma pequena parte de uma grande família de objetos cósmicos denominados QSOs. Nem todos os QSOs emitem ondas de rádio mas possuem todas as outras características dos quasares. Existem mais de 10.000 QSOs catalogados, dos quais cerca de 10% emitem em radiofrequência, ou seja, são quasares.


Imagem do campo estelar, na constelação do Triângulo, onde se localiza o quasar 3C 48. A posição do quasar está indicada pelas duas barras no centro da imagem. Note-se que 3C 48 é visualmente indistinguível das estrelas ao seu redor.

(Crédito: Anthony Ayiomamitis) 

 
Não existem quasares, ou QSOs, próximos de nós. É sempre bom lembrar que "distante no espaço" significa também "distante no tempo". Isto significa que os QSOs observados hoje, se estão tão distantes, existiram no passado longínquo, e deixaram de emitir radiação nos tempos atuais, o que equivale a dizer, no universo próximo. Ou seja, a sua máquina energética deixou de funcionar, certamente devido ao esgotamento de seu "combustível", e restou apenas um buraco negro "adormecido" no centro de cada galáxia.
Como a cosmologia padrão ainda não está definitivamente comprovada, existem astrônomos -- uma minoria, na verdade -- que propõe uma explicação alternativa para as características dos espectros dos quasares. Por exemplo, o astrônomo norte-americano Halton Arp (1927-) investigou a distribuição dos QSOs localizados nas vizinhanças de galáxias próximas de nós, e apresentou a hipótese de que estes objetos são, na verdade, corpos ejetados a altíssimas velocidades dos centros das galáxias. Os espectros dos quasares seriam explicados por estas velocidades e por características intrínsecas aos mesmos ainda não completamente entendidas. Como se vê, a pesquisa de QSOs, em geral, e dos quasares, em particular, ainda promete muitas novidades para todos nós!
O autor agradece o apoio financeiro da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG).
 

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