Q  U  A  S  A  R  E  S

                        Em um universo repleto de  objetos  estranhos, os QUASARES (quasi-stellar radio sources),estão entre os mais estranhos.    No princípio da década de 60 eram conhecidos como “rádio estrelas”. São difíceis de localizar por serem muito distantes e aparecerem na fotos semelhantes a estrelas. Mas é possível identificá-los pelo seu espectro  muito diferente de uma estrela.  Cada fonte de rádio observada estava associada com um estrela, por isso pensou-se originalmente que os quasares (assim chamados porque sòmente parecem estrelas) fossem objetos dentro da galáxia. Mas com o aumento da resolução dos radiotelescópios foi constatado que a forte emissão de rádio parecia vir de um par de lóbulos que cercam muitos destes objetos estelares, que os tornam semelhantes as rádiosgaláxias ficando mais difíceis a sua identificação.

                                               Cygnus A   (3C 405)

                 A subseqüente descoberta de linhas de emissão com pequena  ou nenhuma emissão de rádio surgiu um grupo 20 vezes mais numerosos que os quasares denominados QSO (quase-stellar source) muito parecido com os Quasares, mas não emitem ondas de rádio.

                        O fato mais estranho a respeito dos quasares é seu redshift (desvio da luz para o vermelho) que é muito elevados. Altos redshift  são indicativos da grande distância deles até a Terra.

O redshift dos quasares mede a velocidade com que o universo se expande, é um indicador de distâncias cósmicas. Quanto mais para o vermelho do espectro, mais o objeto parece mover-se para longe de nós. Alguns quasares estão afastando-se a uma velocidade de aproximadamente 0,9c, caso o desvio se deva inteiramente ao Efeito Doppler, que causa mudança da luz para o vermelho do espectro.

  Isto os tornaria os objetos mais distantes conhecidos da ordem de 10 bilhões de anos-luz da Terra. Quasares com alto redshift são de vital importância para os cientistas. Eles são vistos a grandes distâncias por serem muito luminosos, vê-se o universo com 10 % da idade atual. Os primeiros quasares formaram-se provavelmente após o Big-Bang.

    O redshift é definido em termos de um parâmetro “z”.

                                z =  Dl /  l      =   [ 1 + ( v/c) /  1 - (v/c) ] ^1/2 

    Para mais de 100 quasares observado  “z” está entre 0,16  e 3,53.

  O cálculo de  v/c é dado por:

                    v /c  =   (z + 1)²   - 1/ (z + 1)²  + 1  

    Os quasares eram conhecidos como “rádio-estrelas” porque o método que iria descobrir o primeiro quasar estava baseado em coincidências entre uma fonte forte de rádio e uma fonte ótica. O método inicial de seleção eram as fortes emissões de rádio, depois qualquer objeto com excesso de azul ou ultra-violeta era considerado um bom candidato a quasar. Recentemente evidências de porções próximas ao espectro infravermelho indica que uma grande fração de quasares pode ser mais luminosa dentro do infra-vermelho do que em outras faixas de comprimentos de onda.                           

     Entre as fontes de rádio compactas, detectada nos anos 60       inclui-se   3C 48,  3C 147,  3C 196, 3C 273, 3C 288. 3C é a abreviatura em inglês de Terceiro catálogo de rádioestrelas de Cambridge, elaborado pelo astrônomo britânico Martin Ryle (1918-1984).

 Allan Sandage, (1926 - ) descobriu que estas fontes localizavam-se em estrelas de 16ª magnitude, era um fato fora do comum uma vez que estrelas não constituem fontes de microondas detectáveis.  

    Observações em 1963 da fonte de rádio 3C 273 por Cyril Hazard durante uma ocultação da lua, foi descoberto que ela coincidia com um objeto estelar de 12ª magnitude (250 vezes mais tênue do que se pode ver a olha nu, mas luminosa em padrões astronômicos)  

Em 1963 Maarten Schmidt (1929 -  )da CALTECH obteve o primeiro  espectro  do 3C 273 usando o telescópio de 200” do Monte Palomar. As linhas do espectro fotográfico obtido confundiram Schmidt durante meses antes que ele reconhecesse as fortes emissões de linhas largas com as do ultra-violeta. Schmidt concluiu, baseado no redshift de 0,158 que  não era uma estrela comum da galáxia, mas um objeto localizado a aproximadamente 1 bilhão de anos-luz de distância, muito mais longe do que qualquer galáxia já detectada possuindo uma magnitude aparente de 12,85 e magnitude absoluta de –26,9.  

    O 3C 273 é o quasar mais próximo de nós. Atualmente são conhecidos centenas deles, muitos com reshift bem mais alto.  

               O astronomo Maarten Schmidt em 1963

                           3C 273 o primeiro quasar                                                 

   Gráfico do espectro do 3C 273 mostrando as características das linhas de emissão do Hidrogênio.                                    

     ENERGIA PRODUZIDA PELOS QUASARES

As grandes distâncias e o brilho extremo dos quasares insinuam tremenda produção de energia.

           Como eles fazem isso?

  Foi proposto o modelo do Buraco Negro central, baseado nos estudos de Carl Seyfert feitos em 1943, sobre núcleos brilhantes e pequenos de galáxias ativas, que provavelmente teriam um buraco negro. Os quasares emitem de 10 a 1000 vezes a energia da galáxia inteira, são os objetos mais luminosos conhecidos.

    Estudos mostram que uma grande fração dessa energia não está sendo gerada em um volume muito maior que o Sistema Solar.

O modelo proposto para esta fonte de energia dos quasares é a acreção de matéria sobre um grande Buraco Negro central de aproximadamente 100 milhões de massas solares.

 A matéria espirala-se, abaixo do potencial gravitacional rompendo-se para formar um “disco de acreção” ao redor do Buraco Negro.  Para suportar a luminosidade de um quasar típico é necessário uma “dieta” de cerca de um Sol por ano.

 Parte da matéria é ejetada por conservação de momento angular, quando toda a matéria for consumida cessará a emissão de energia.

Os quasares localizados na sua maioria a distâncias de bilhões de anos-luz de nós devem ter surgido há bilhões de anos no passado durante a juventude do  universo. Nessa época, muitas galáxia jovens podem ter sofrido colapso em seu centro transformando-se em Buracos Negro. Só esse fato já sugere que o universo primordial era bem diferente do atual.

QUASARES DE REDSHIFT ELEVADO

Donald  Schneider   da   Pennsylvania State University  (Filadélfia),  membro do Sloan Digital Sky Survey (SDSS),utiliza os telescópios como portais para o passado distante, vendo o universo com uma fração do tamanho e idade atual. Suas pesquisas sobre quasares de elevado redshift são com a finalidade de elaborar modelos da estrutura e formação do universo, através da investigação do seu passado.

Abaixo temos o gráfico do espectro do quasar PC 1247 + 3406 descoberto em 1991.

                                                             (Redshift 4,8)  

      A maioria das estrelas tem espectro liso, com algumas absorções características, um quasar possui várias emissões fortes, a mais proeminente é a linha Lyman a do Hidrogênio neutro, seu comprimento de onda é distinto do Ultra-violeta (1216 Angstrom).

  No gráfico acima a linha Lyman a está a 7200 Angstrom, no final do vermelho, distante da sensibilidade do olho humano. O redshift é 4,897.  Os comprimentos de onda das linhas observadas são maiores que os comprimentos de onda das outras por um fator  1 + z = 5,897 para este quasar. Pela distância (posição) do quasar estudado , o universo era 6 vezes menor e sua densidade 200 vezes maior do que a de hoje.

As propriedades das linhas de emissão dão pistas sobre a história química do universo. A maioria das linhas de emissão dos quasares são de elementos que não se formaram no Big Bang como: Carbono, Oxigênio, Nitrogênio e Silicone, visto que nos quasares mais distantes, são produzidos através da nucleosíntese de caroços estelares.

  Robert Terlevich da Universidade de Cambridge, Inglaterra, retomou uma antiga teoria dos anos 80 que explicava os quasares e outros núcleos ativos. De que os mesmos seriam regiões de formação estelar violenta, onde nascem simultaneamente milhares de estrelas de grande massa. Eles representariam um estágio primitivo e violento da evolução das galáxias. O núcleo entraria em atividade quando essas estrelas começavam a explodir na forma de Supernovas.

 Seria uma explicação interessante para os quasares, que seriam produzidos pela formação estelar explosiva dentro das galáxias elípticas. Isto resolve também o problema da presença de Ferro nos quasares: a explosão de supernovas seria a única maneira de se formar esse elemento ainda na infância do universo.

Este gráfico nos mostra a evolução do número de quasares em função do tempo. Na abcissa a idade do universo como uma fração da idade atual; as duas linhas representam as medidas de redshift alto feita por Schneider ( tempo passado à esquerda) e um estudo de quasares de baixo redshift (tempo presente à direita) . Quando o universo era jovem haviam muitos quasares , a maioria morreu antes do tempo presente.

A relação mostrada neste gráfico tem um importante impacto no mecanismo de formação dos quasares.

Por que todos morreram tão depressa?

 Donald Lynden-Bell diz que: “os núcleos das galáxias são os cemitérios dos quasares que vemos brilhando na aurora do universo”. Alguns astrônomos acreditam que a medida que os quasares se apagam, as galáxias amadurecem e herdam os Buracos Negros em seu núcleo.

  Além de revelar a distribuição de “matéria luminosa” no universo primordial, os quasares distantes tem informação sobre alguns tipos de matéria escura que enche o “espaço intergaláctico”. Estes quasares agem como poderosos holofotes que iluminam a matéria escura presente no espaço. Se a luz de um quasar encontrar uma nuvem de Hidrogênio que está na linha de visão, o espectro do quasar mostrará características de absorção ao redshift da nuvem.

O gráfico anterior mostra como esta absorção varia com o redshift, há pouco Hidrogênio intergaláctico neutro, e a maioria da radiação do quasar não é afetada, mas se o redshift for maior que 4 mais da metade da luz do quasar não chega até nós.

  Abaixo está  reproduzido o gráfico do   espectro  do quasar    RD J 030117 + 002025 descoberto no final da década de 90 na constelação de “Cetus” conforme “paper” escrito por Daniel Stern et al.em 18 de fevereiro de 2000.

 Estudado por astrônomos da Caltech com observação dos Hale Telescope do Monte Palomar, o Mayall Telescope de Kitt Peak e do Keck Observatory do Havaí onde foi completado o estudo da análise espectral da luz.

      “Assim que vimos o espectro, soubemos que tínhamos algo especial” disse Daniel Stern do JPL, que teve um importante papel na sua descoberta. Este quasar parecia muito antigo, talvez uma das primeiras estruturas do universo, seu “redshift” era 5,5. Teria viajado aproximadamente 13 bilhões de anos para chegar aqui. Isto significa dizer que o quasar existiu num universo com 8% de sua idade atual.“Encontrar um quasar a esta distância é como contornar a beira do universo....” disse Stern.

O MAIS DISTANTE QUASAR CONHECIDO

Segundo publicação do Sloan Digital Sky Survey (SDSS) em 11 de julho de 2001 foi detectado um quasar com  redshift de 5,8 conhecido como SDSS J104433.04 –012501.2

  O gráfico seguinte mostra o espectro do mais distante quasar conhecido o SDSS J 104433.04 – 012502.2 , com  redshift de 5,8.

   O grande pico da linha de emissão Lyman a, é uma diferença na característica do espectro do quasar. Normalmente esta característica apareceria no ultra violeta, com um comprimento de onda de aproximadamente 1200 Angstron, mas neste quasar o pico da linha Lyman a aparece no infra-vermelho perto de 8300 Angstron, representando aproximadamente sete vezes um aumento do comprimento de onda devido a expansão do universo.

Devido ao “redshift” cosmológico muitas das características dos quasares mais distantes são desviados para perto do infra-vermelho uma região do espectro onde é sensivelmente reduzido os detalhes para estudo, para tal foi usado o “Near Infrared Spectrograph (NICS).  

   No gráfico seguinte obtido durante a empreitada do NICS, temos a  linha azul nos mostra mais de perto o espectro infra-vermelho deste quasar.

  A linha vermelha é um “template” obtida pela combinação da amostra de um quasar com  z ~ 1.

 O resultado mais interessante é o blueshift característico da absorção do C IV, caracterizando o objeto como uma linha de absorção larga. Este blueshift é atribuído ao gás ejetado com velocidades de 10000 km/s. Esta descoberta combinada com as recentes observações em raio X por satélite, sugere que o gás ejetado obscurece o quasar como se fosse uma parede. A massa média ejetada é maior que 5 massas solares por ano.

  Cientistas do SDSS detectaram ainda dois objetos, mais distantes que segundo Donald Schneider da Pennsylvania State University  trata-se de dois quasares que teriam redshift de 6,0 e 6,2.

QUASARES MAIS PRÓXIMOS

      Com o Hubble Space Telescpe  , muitos outras descobertas foram feitas a respeito de quasares. Uma delas foi um quasar em Cygnus  A.

Segundo Anne Kinney do Space Telescope Science Institute de Baltimore: “É incomum encontrar um quasar na nossa época, pois todos os quasares descobertos até hoje, existiram no universo passado”.

A descoberta de um quasar em Cygnus A ( 3C 405 ) e redshift 0,057 proporcionou a oportunidade de estudar detalhadamente um objeto que para um telescópio terrestre é apenas um ponto de luz, e que emite centenas de vezes mais energia que uma galáxia inteira com mais de 100 bilhões de estrelas.

 Os espectros obtidos no ultra-violeta eram tão incomuns que os dados foram estudados durante três meses antes de serem tiradas conclusões.

  Depois de muita análise concluíram em parte ser o espectro de um quasar.Tal espectro possui largas linhas de emissão que indica que o gás do núcleo roda com altas velocidades.

Kinney, enfatiza que provavelmente é mais do que coincidência achar um quasar dentro de uma rádiogaláxia próxima da Terra, o que poderia explicar as poderosas emissões de rádio da mesma. Esta seria a oportunidade para estudar a misteriosa maquina de energia por trás de um quasar.       

    ..................... Optical + Radio ...................

  O QUASAR NÚ

  Outra descoberta recente (1995) foi o “Naked Quasar” ou seja quasar nu , onde não foi encontrada a “galáxia anfitriã” que cerca muitos quasares.

Dos 15 quasares pesquisados pelo HST, 11 não tiveram nenhuma nebulosidade detectada, e no 4 restantes era mais fraca do que a esperada. Estes resultados eram notáveis no contexto da teoria cosmológica a qual depende de uma galáxia anfitriã para alimentar um voraz Buraco Negro com o alimento necessário para manter sua produção de energia. Para esta pesquisa foi utilizada uma amostra de quasares com baixo redshift, pois esperava-se que assim os objetos seriam mais facilmente visualizados.

  Nosso estudo é concluído aqui, porém o assunto é imenso como o Universo, o que faz lembrar as palavras de Stephen Hawking: “Se encontrarmos a resposta de por que nós e o universo existimos, teremos o triunfo definitivo da razão humana, porque então teremos atingido o conhecimento da mente de Deus”.

Texto elaborado por Margaret Busse Avancini ,para a disciplina: Tópicos de Astronomia  galáctica,extragaláctica e cosmologia.  UFRGS - 2002          

          REFERÊNCIAS

TIPLER.P.A. & LIEWELLYN.R.A. Física Moderna, 3ªed.Aparecida SP,Ed.LTC ,2000        

ASIMOV,I. 111 questões sobre a Terra e o espaço. S.Paulo, Best Seller,1991

OLIVEIRA,K.S. & SARAIVA,M.F.  Fundamentos de  Astronomia e Astrofísica, Porto  Alegre,  UFRGS,1997         

Textos da Internet

“Hubble uncovers a hidden quasar in a nearby galaxy  by Anne Kinney 

“Naked Quasars” by JohnBahcall 

“Frequently asked questions about quasars”  by John Simonetti

“Quasars & Active Galaxies” by Gene Smith

“Survey for High Redshift quasar” by Donald Schneider

“Most distant quasar in the universe”  by NASA,JPL,Caltech

“Most distan objetcs observed” by SDSS

“NICS-TNG discovers an extremely powerful expanding wind in the most” by ….

“The spectra of red quasars” by Paul Francis et alii.

“Sloan Digital Sky Survey finds most distant object ever observed” by SDSS

“Redshift 5,8 quasar spectrum” by SDSS

“Astronomers announce discovery of the two most distant objects” by Science Journal