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Desde o primeiro instante após o Big Bang, o Universo tem se expandido. Isto significa que o Universo primitivo era consideravelmente menor e as galáxias formadas precocemente eram mais propensas a interagir e fundir-se. As fusões de galáxias alimentam a formação de quasares – núcleos galácticos extremamente luminosos onde o gás e a poeira que caem num buraco negro supermassivo central emitem enormes quantidades de luz. Assim, ao olhar para o Universo primitivo, os astrónomos esperariam encontrar numerosos pares de quasares próximos uns dos outros, à medida que as suas galáxias hospedeiras passavam por fusões. No entanto, eles ficaram surpresos ao encontrar exatamente nenhum – até agora.
Com a ajuda do telescópio Gemini North, metade do Observatório Internacional Gemini, que é apoiado em parte pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e operado pela NSF NOIRLab, uma equipe de astrônomos descobriu um par de quasares em fusão vistos há apenas 900 milhões de anos. depois do Big Bang. Este não é apenas o par de quasares em fusão mais distante já encontrado, mas também o primeiro par confirmado no período da história do Universo conhecido como Aurora Cósmica.
A Aurora Cósmica durou cerca de 50 milhões de anos até um bilhão de anos após o Big Bang. Durante este período começaram a aparecer as primeiras estrelas e galáxias, enchendo pela primeira vez o Universo escuro de luz. A chegada das primeiras estrelas e galáxias deu início a uma nova era na formação do cosmos conhecida como Época da Reionização.
A Época da Reionização, que ocorreu na Aurora Cósmica, foi um período de transição cosmológica. Começando cerca de 400 milhões de anos após o Big Bang, a luz ultravioleta das primeiras estrelas, galáxias e quasares espalhou-se por todo o cosmos, interagindo com o meio intergaláctico e retirando os electrões dos átomos de hidrogénio primordiais do Universo num processo conhecido como ionização. A Época da Reionização foi uma época crítica na história do Universo que marcou o fim da idade das trevas cósmica e semeou as grandes estruturas que observamos hoje no nosso Universo local.
Para compreender o papel exato que os quasares desempenharam durante a Época da Reionização, os astrónomos estão interessados em encontrar e estudar os quasares que povoaram esta era inicial e distante. “As propriedades estatísticas dos quasares na Época da Reionização dizem-nos muitas coisas, tais como o progresso e a origem da reionização, a formação de buracos negros supermassivos durante a Aurora Cósmica e a evolução mais antiga das galáxias hospedeiras dos quasares,” disse Yoshiki Matsuoka. , astrônomo da Universidade Ehime, no Japão, e autor principal do artigo que descreve esses resultados, publicado no Astrophysical Journal Letters.
Cerca de 300 quasares foram descobertos na Época da Reionização, mas nenhum deles foi encontrado em pares. Isso até que Matsuoka e sua equipe estavam revisando imagens tiradas com a Hyper Suprime-Cam no Telescópio Subaru e uma tênue mancha vermelha chamou sua atenção. “Enquanto examinava imagens de candidatos a quasar, notei duas fontes semelhantes e extremamente vermelhas, uma ao lado da outra”, disse Matsuoka. “A descoberta foi puramente acidental.”
A equipa não tinha a certeza de que se tratasse de um par de quasares, uma vez que os candidatos a quasares distantes estão contaminados por inúmeras outras fontes, tais como estrelas e galáxias em primeiro plano e os efeitos das lentes gravitacionais. Para confirmar a natureza destes objetos, a equipe conduziu espectroscopia de acompanhamento usando a Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) no Telescópio Subaru e o Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS) no Gemini North. Os espectros, que decompõem a luz emitida por uma fonte nos seus comprimentos de onda componentes, obtidos com o GNIRS foram cruciais para caracterizar a natureza do par de quasares e das suas galáxias hospedeiras.
“O que aprendemos com as observações do GNIRS foi que os quasares são demasiado ténues para serem detectados no infravermelho próximo, mesmo com um dos maiores telescópios no solo,” disse Matsuoka. Isto permitiu à equipa estimar que uma parte da luz detectada na gama de comprimentos de onda ópticos não vem dos próprios quasares, mas sim da formação estelar em curso que ocorre nas suas galáxias hospedeiras. A equipe também descobriu que os dois buracos negros são enormes, cada um tendo 100 milhões de vezes a massa do Sol. Isto, juntamente com a presença de uma ponte de gás que se estende entre os dois quasares, sugere que eles e as suas galáxias hospedeiras estão a passar por uma fusão em grande escala. [1].
“A existência de quasares em fusão na Época da Reionização foi antecipada há muito tempo. Foi agora confirmada pela primeira vez,” disse Matsuoka. [2].
A Época da Reionização conecta a formação mais antiga da estrutura cósmica ao Universo complexo que observamos bilhões de anos depois. Ao estudar objetos distantes deste período, os astrónomos obtêm informações valiosas sobre o processo de reionização e a formação dos primeiros objetos no Universo. Mais descobertas como esta podem estar no horizonte com o Legacy Survey of Space and Time (LSST) do NSF-DOE Vera C. Rubin Observatory, com duração de uma década, começando em 2025, que está preparado para detectar milhões de quasares usando suas capacidades de imagem profunda.
Notas
[1] Um artigo complementar aceite para publicação na AAS Journals apresenta análises mais aprofundadas do par de quasares, da ponte de gás entre eles e as suas galáxias hospedeiras, utilizando observações obtidas com o Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).
[2] Houve candidatos, mas é difícil separá-los de imagens possivelmente obtidas por lentes gravitacionais de um único quasar. Existem também alguns candidatos a núcleos galácticos duplos ativos incorporados em galáxias individuais da Época de Reionização, mas estes têm luminosidade muito mais baixa (atividade de buraco negro) do que os quasares e são dois componentes dentro de uma única galáxia, que são qualitativamente diferentes do que é descrito aqui. .
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