Galáxias Ativas: onde a matéria se confronta com monstros cósmicos

Os corações de algumas galáxias estão entre os lugares mais violentos no Universo, potenciados por buracos negros titânicos. Alguns destes buracos negros engolem, em cada ano, a massa de mil Sóis. Cheguemo-nos um pouco mais perto.

Por Abhishek Rajesh Chougule
Publicado 1/06/2021, 16:44

Este artigo foi escrito por um investigador do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) no âmbito da parceria editorial com a National Geographic.

Imagem da galáxia ativa Centaurus A gerada a partir de três instrumentos que operam em distintos comprimentos de onda. A cor laranja corresponde à emissão no rádio, e a cor azul à emissão nos raios X. A faixa de poeira e estrelas característica desta galáxia é observável na luz visível. Esta imagem composta mostra um núcleo brilhante e poderosos jatos que resultam de interações muito energéticas entre o buraco negro supermassivo central e a matéria envolvente.

Fotografia de ESO/WFI (óptico); MPIfR/ESO/APEX/A.Weiss et al. (submilímetro); NASA/CXC/CfA/R.Kraft et al. (raios X)

Quando observamos o Universo em larga escala, este parece um cenário sossegado. Um vazio aparente polvilhado por milhares de milhões de galáxias de vários tamanhos e feitios, brilhando na vasta escuridão. Mas quando os astrónomos o observam detalhadamente desde os raios X até às frequências rádio, desvendam-se regiões pontuais com alta concentração de energia, a jorrarem intensa radiação. Esta radiação frequentemente supera a da própria galáxia como um todo, ou estende-se muito para lá do que pareciam ser os limites exteriores da galáxia. Estamos perante as chamadas galáxias ativas.

As galáxias ativas são máquinas violentas de produção de energia que brilham com esplendor. Os seus centros invulgarmente luminosos são conhecidos como núcleos galácticos ativos, ou AGNs, da sigla inglesa para “active galactic nuclei”. O primeiro AGN, a galáxia Messier 77, foi descoberto em 1908 por E. A. Fath. Fath estudou a luz proveniente desta galáxia e descobriu que a intensidade dessa luz em certos comprimentos de onda era muito elevada. Os astrónomos da época consideraram este fenómeno invulgar, já que muitos dos objetos então conhecidos não exibiam esse comportamento.

Em 1943, um estudo de Carl Seyfert, que deu seguimento à observação de várias galáxias deste tipo, lançou mais luz sobre as suas propriedades. Este investigador descobriu que estas galáxias, hoje chamadas Seyfert, têm um núcleo invulgarmente brilhante e pontual, como o de uma estrela, e que contém material a mover-se a muito grande velocidade. Esta descoberta foi apenas o topo do icebergue. Com o advento de novos instrumentos, os astrónomos começaram a dar-se conta de que as galáxias Seyfert são apenas uma pequena população do conjunto total das galáxias ativas.

Observações nos comprimentos de onda do rádio, na década de 1960, descortinaram galáxias ativas que são cem vezes mais brilhantes do que as galáxias espirais normais, como a nossa Via Láctea. Desde então, os estudos revelaram que as galáxias ativas são exuberantes fontes de radiação, estendendo-se por quase todo o espectro, desde as ondas rádio até aos raios gama. Quais são os processos físicos por trás destes mananciais de energia? São de facto laboratórios perfeitos para estudar física extrema, para lá do que alguma vez possamos pensar sondar aqui na Terra.

Imagem da galáxia ativa NGC 1068, obtida com o Telescópio Espacial Hubble e modificada para ilustrar a presença do buraco negro supermassivo central. Este está a alimentar-se de matéria e a libertar uma prodigiosa quantidade de energia, produzindo um núcleo brilhante e compacto.

Fotografia de NASA/JPL-Caltech

Galáxias pacíficas e galáxias ativas, como se distinguem

A diferença fundamental entre galáxias ativas e galáxias normais reside no que está a acontecer no seu centro. Os astrónomos acreditam que no próprio coração da maioria das galáxias se aninha um monstro cósmico, um objeto conhecido como buraco negro supermassivo. Este monstro é um objeto invisível, em rotação e super denso com a massa de mais de um milhão de Sóis, por vezes milhares de milhões de massas solares. São “buracos” no espaço-tempo, atraindo matéria e até a luz, para uma região de não retorno, por vezes do tamanho do nosso Sistema Solar.

No núcleo das galáxias ativas, a gravidade destes objetos inimaginavelmente compactos domina o centro galáctico e atrai a matéria circundante. A matéria cai para o poço gravitacional do buraco negro e começa a espiralar a incríveis altas velocidades na forma de um disco remoinhante de gás e poeira. As regiões internas deste disco de acreção movem-se mais rápido do que as regiões mais exteriores. A diferença de velocidade produz fricção no material e o disco aquece. Torna-se tão quente, atingindo cerca de 100 000 graus Celsius, quase vinte vezes mais quente que a superfície do Sol, que emite altas quantidades de radiação eletromagnética.

Em alguns casos, os fortes campos magnéticos produzidos por estes buracos negros lançam também gigantescos jactos de partículas e radiação para o espaço fora da galáxia. Portanto, embora confinados numa muito pequena região quando comparada com o tamanho da galáxia anfitriã, a interação entre estes buracos negros e a matéria produz uma prodigiosa quantidade de energia. Gera os centros compactos e ultra brilhantes típicos das galáxias ativas, os AGNs, que algumas vezes brilham mais do que a galáxia inteira.

No caso das galáxias não-ativas, uma tal interação entre o buraco negro supermassivo e a matéria não acontece. Um desses exemplos é a nossa galáxia, a Via Láctea. Embora no seu centro resida um buraco negro supermassivo com a massa de quatro milhões de Sóis, chamado Sagittarius A*, ele é praticamente silencioso. No entanto, estudos que identificam emissão de radiação altamente energética nos raios X e raios gama à volta do centro da nossa galáxia sugeriram que a Via Láctea terá também experimentado episódios de atividade AGN no passado.

Os astrónomos chegaram à ideia de que os buracos negros supermassivos deveriam alimentar as galáxias ativas quando descobriram o primeiro buraco negro estelar. Em 1971, o satélite nos raios X Uhuru detetou uma fonte de raios X na constelação do Cisne (agora chamada Cisne X-1). Estudos seguintes descobriram que esta fonte é um sistema binário, composto por uma estrela azul supergigante a orbitar um objeto invisível dez vezes mais massivo do que o Sol. Este objeto veio depois a ser amplamente aceite como um buraco negro. Embora também seja um buraco negro, estes remanescentes “estelares” são diferentes dos buracos negros “supermassivos”.

Dos buracos negros de “quintal” aos buracos negros do “centro nevrálgico”

Um buraco negro estelar nasce com a morte de uma estrela. Quando uma estrela mais massiva que três vezes a massa do Sol esgota o seu combustível, ela colapsa sob a sua própria gravidade, e forma-se um buraco negro estelar. Os buracos negros estelares são geralmente três a dez vezes mais massivos do que o Sol. Como não emitem luz, são indetectáveis, a menos que se alimentem de uma estrela. Nesse caso, também eles formam um disco de acreção à sua volta, o qual, à medida que aquece, emite radiação nos raios X.

Como a maioria dos buracos negros estelares vive isolada, não são detetados. De uma estimativa a partir do número de estrelas massivas o suficiente para produzir buracos negros estelares, deverão existir mais de 10 milhões de buracos negros deste tipo na nossa galáxia Via Láctea.

Os buracos negros supermassivos, por seu lado, têm o seu quê de enigmático. São espantosamente massivos, pesando mais de um milhão de Sóis, e acredita-se que existam no centro da maior parte das galáxias. Um deles é o que foi objeto da primeira imagem de um buraco negro, obtida em 2019 pela colaboração Event Horizon Telescope (EHT), no coração da galáxia Messier 87. Estando situados no centro de galáxias, mesmo que o buraco negro não se esteja a alimentar de matéria, os astrónomos conseguem detetá-los estudando os seus efeitos nas estrelas e gás próximos. Estas observações têm ocorrido com a nossa própria Via Láctea, com estudos que rastreiam as órbitas de estrelas na vizinhança do objeto compacto Sagittarius A*, ou estudando em detalhe porções de gás redemoinhando à sua volta. A investigação sobre o Sagittarius A* recebeu metade do Prémio Nobel para a Física em 2020 atribuída a Andrea Ghez e Reinhard Genzel.

Relacionado: Expectativas para a caça aos primeiros buracos negros supermassivos

Em 2019, cientistas obtiveram a primeira imagem de um buraco negro, utilizando observações do Event Horizon Telescope do centro da galáxia M87. A imagem mostra um anel brilhante que se forma quando a luz é curvada pela gravidade intensa que rodeia um buraco negro supermassivo com 6,5 mil milhões de vezes a massa do Sol.

Fotografia de Event Horizon Telescope Collaboration

Ainda não temos a certeza de onde vieram estes monstros, embora várias hipóteses existam. Uma defende que são buracos negros primordiais, formados pouco depois do Big Bang. Logo a seguir ao seu nascimento, o Universo era pequeno, muito denso, mas uniforme — a força gravítica era a mesma em todas as direções. Mais tarde, surgiram zonas não uniformes onde a matéria, em maior densidade, colapsou sob a gravidade, formando buracos negros supermassivos. Uma outra visão sugere que se terão formado da fusão de minúsculos buracos negros então disponíveis no universo.

Ainda que a origem exata destes monstros cósmicos seja até ao momento desconhecida, parecem ter estabelecido o seu papel enquanto geradores de energia das galáxias ativas. Porém, estas galáxias apresentam-se em muitas variedades.

O “zoo” das galáxias ativas pode ser enganador

Há muitas variedades de galáxias ativas. Algumas apresentam portentosos jactos, outras não, algumas mostram indícios de gás a mover-se a velocidades muito elevadas, outras não, algumas são brilhantes, outras têm um brilho menos intenso.

Estudos dos finais do século passado sugeriram que um “donut” de poeira rodeia os buracos negros supermassivos em processo de acreção. Este donut (ou toro, em linguagem matemática) cerca o disco de acreção ultra aquecido que, junto com o buraco negro, ocupa a região central do donut. A orientação da Terra em relação a esta estrutura de poeira determina que parte ou região do buraco negro conseguimos ver.

Por exemplo, quando vemos uma galáxia ativa de frente, vemos diretamente o seu centro. Então captamos a própria luz emitida pelo material quente e fulgurante que se move a grandes velocidades no disco de acreção em volta do buraco negro. Por outro lado, quando vemos a galáxia de lado, o donut de poeira esconde por completo da nossa vista essa região luminosa.

Os astrónomos aperceberam-se de que a diversidade de galáxias ativas poderá ser talvez o resultado de vermos o mesmo tipo de objetos mas de ângulos diferentes. Esta ideia é conhecida como o modelo unificado das galáxias ativas.

Um diagrama do modelo unificado das galáxias ativas: um buraco negro supermassivo inserido num donut de poeira e visto de dois ângulos diferentes.

Fotografia de IA (imagem composta)/NASA/JPL-Caltech (imagens originais)

Apesar do seu sucesso ao explicar que alguns tipos de galáxias ativas são de facto objetos semelhantes com diferentes orientações em relação à Terra, alguns estudos recentes sugerem que fatores adicionais poderão ter também um papel preponderante, como o ritmo ao qual o buraco negro devora o material circundante.

As galáxias ativas ajudam os astrónomos a reconstituir a história de como o Universo evoluiu

Quanto mais longe a nossa observação penetra no espaço, mais o nosso olhar recua no tempo, porque a luz precisou de tempo para percorrer essa distância e por isso nos traz informação do passado. Ao estudarmos diferentes objetos, podemos assim espreitar diferentes momentos da história do Universo. Ao fazê-lo, os astrónomos deram-se conta de que alguns AGNs estão entre os mais luminosos e mais distantes objetos alguma vez observados.

Trata-se de núcleos de galáxias primordiais que vemos quase de frente e que são holofotes no Cosmos. São chamados quasares, abreviação do inglês “quasi-stellar object”, ou objeto quase estelar, pois quando foram detetados pela primeira vez confundiam-se com simples estrelas do universo local. Porém, quando a sua distância foi medida, esta revelou-se enorme, estando eles entre os objetos celestes mais distantes que conhecemos. Por conseguinte, são também dos mais brilhantes. Os quasares tornaram-se objetos charneira para compreendermos o Universo primordial.

À medida que a luz de um quasar distante viaja rumo a nós, ela interage com o gás presente a diferentes distâncias ao longo do percurso. Este gás absorve comprimentos de onda de luz específicos, os quais dependem dos elementos químicos constituintes do gás. Assim, estudando a forma como a intensidade da luz do quasar se alterou em diversos comprimentos de onda, os astrónomos conseguem sondar a composição química do gás no espaço a várias distâncias e, portanto, em diferentes épocas, incluindo a própria composição química das nuvens de gás que se produziram pouco depois do Big Bang.

Esta imagem representa a luz de um quasar distante a passar através de várias nuvens de gás antes de chegar ao telescópio. À medida que a luz vai passando por nuvens de gás, certos comprimentos de onda (“cores”) são absorvidos por compostos químicos específicos presentes em cada nuvem de gás, o que é evidenciado pelas linhas pretas verticais. Estas absorções resultam num efeito cumulativo e a luz que finalmente chega ao telescópio (espectro de absorção final) apresenta absorção em vários comprimentos de onda.

Fotografia de NASA/ESA (adaptada por IA)

Os quasares também nos dizem que vivemos num Universo em evolução. Os astrónomos descobriram que o seu número era maior no passado, e que os quasares mais brilhantes são observados apenas em tempos recuados, estando extintos no Universo local atual. Mais gás havia disponível nessas primeiras eras, por isso mais combustível havia disponível para alimentar os buracos negros supermassivos, o que os fez brilhar como quasares. Com o tempo, enquanto o gás colapsava para se formarem estrelas, menos foi ficando disponível para alimentar os buracos negros, e daí o decrescimento no número de galáxias resplandecendo como quasares.

Se alguém pudesse ter vivido no passado, ter-se-ia apercebido de um Universo muito diferente do atual, com um céu fulgurante, mas também cheio de radiação mortal.

Mais tarde, o crescimento dos buracos negros supermassivos no centro das galáxias afetou, e afeta ainda, a formação das estrelas nas galáxias, sugerem observações recentes. Como é que isto acontece? Como é que um buraco negro “comunica” com a galáxia anfitriã, tendo em conta que esta possui uma escala muito maior? Os astrónomos suspeitam que os buracos negros supermassivos lançam poderosos ventos de grande velocidade. Estes ventos expulsam o gás para fora da galáxia anfitriã e removem assim o material disponível para a geração de novas estrelas.

Os astrónomos projetaram novos instrumentos para examinar esta complexa interação entre matéria, estrelas e monstros cósmicos. Um futuro observatório espacial nos raios X, o Telescópio Avançado para a Astrofísica das Altas Energias (Athena), irá procurar por esses tais ventos, mesmo em galáxias longínquas. Permitirá aos astrónomos estudar a forma como os discos de acreção em torno de buracos negros supermassivos sopram esses ventos, e estimar a quantidade de energia que é libertada por eles. O observatório Athena é uma missão da Agência Espacial Europeia (ESA), e o Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA), em Portugal, está envolvido.

Um outro instrumento em preparação, este na Terra, irá analisar com um detalhe sem precedentes a luz de um grande número de galáxias distantes. O Espectrógrafo Multi-Objetos no Óptico e Infravermelho-próximo (MOONS) será instalado no deserto do Chile, no Very Large Telescope (VLT), do Observatório Europeu do Sul (ESO). Com o MOONS, os astrónomos conseguirão determinar as propriedades físicas e químicas de galáxias ativas distantes e jovens, ampliar o conjunto do zoo de galáxias ativas conhecidas, estimar as massas dos seus buracos negros supermassivos, e investigar o papel destes na evolução e modelação das galáxias.

Um dos investigadores do IA, José Afonso, é Coinvestigador Principal responsável pelo projeto VLT/MOONS, e este instituto nacional está também a contribuir substancialmente ao nível de instrumentação para este futuro observatório espacial. Eu sou também um membro do consórcio do MOONS. Usando software informático, nós (alguns investigadores do IA estão profundamente envolvidos, além de outros membros do MOONS e eu) estamos a simular o aspeto que terão as observações de galáxias ativas que serão feitas com o MOONS. Esta abordagem irá ajudar a planear as futuras observações com este instrumento. Por exemplo, com base nestas simulações, poderemos decidir por quanto tempo deverá o MOONS olhar para uma galáxia específica para recolher dados dela com a desejada máxima qualidade. Além disso, estou a investigar o efeito dos núcleos galácticos ativos nas resultantes propriedades físicas das galáxias.

Anos de estudo aprofundaram o nosso entendimento do Universo. Agora sabemos que algumas galáxias vivem períodos dramáticos na sua vida, transbordando de energia na forma de radiação intensa produzida praticamente ao longo de todo o espectro eletromagnético. Muito provavelmente, um buraco negro com milhões, ou milhares de millhões de massas solares estará a alimentar-se da sua matéria e no seu próprio centro.

Estes buracos negros, muito mais massivos do que os famosos buracos negros estelares, estão rodeados por um anel de poeira, o qual pode impedir a luz de certas regiões em volta do buraco negro de ser vista na Terra. Portanto, o ângulo com que os observamos a partir da Terra pode fazer a diferença. As galáxias ativas, suas anfitriãs, estão espalhadas pelo Universo. As mais brilhantes destas galáxias, os quasares, foram observadas muito longe, no espaço e no tempo, e são úteis para nós sondarmos as primeiras idades do Cosmos.

 

Abhishek Rajesh Chougule é investigador de doutoramento no Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) e na Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (FCUP). Investiga e quantifica o efeito dos núcleos galácticos ativos na estimativa das propriedades das galáxias. Realiza tarefas essenciais que irão auxiliar no desenvolvimento de códigos de síntese espectral para a sua aplicação em galáxias ativas, como o código de síntese de populações FADO, disponível publicamente e desenvolvido por investigadores do IA. Tem também experiência no domínio das atmosferas das estrelas, em particular no efeito de alargamento Stark nos espectros das estrelas.

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