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Observações com o telescópio Gemini North auxiliam na descoberta do par de quasares em fusão mais distante, visto apenas 900 milhões de anos após o Big Bang. Desde o primeiro instante após o Big Bang, o Universo tem se expandido. Isso significa que o Universo primordial era consideravelmente menor e as galáxias formadas no início eram mais propensas a interagir e se fundir. Fusões de galáxias alimentam a formação de quasares – núcleos galácticos extremamente luminosos onde gás e poeira caem em um buraco negro supermassivo central, emitindo enormes quantidades de luz. Portanto, ao observar o Universo primitivo, os astrônomos esperariam encontrar numerosos pares de quasares em proximidade, à medida que suas galáxias hospedeiras passam por fusões. No entanto, eles ficaram surpresos ao não encontrar 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 pelo NSF NOIRLab, uma equipe de astrônomos descobriu um par de quasares em fusão visto apenas 900 milhões de anos após o Big Bang.
Não só é este o par de quasares em fusão mais distante já encontrado, mas também o primeiro par confirmado no período da história do Universo conhecido como Amanhecer Cósmico. O Amanhecer Cósmico ocorreu de aproximadamente 50 milhões a um bilhão de anos após o Big Bang. Durante este período, as primeiras estrelas e galáxias começaram a aparecer, iluminando o Universo escuro pela primeira vez. O surgimento das primeiras estrelas e galáxias deu início a uma nova era na formação do cosmos conhecida como a Época da Reionização. Nessa Época, que ocorreu dentro do Amanhecer Cósmico, foi um período de transição cosmológica. Começando aproximadamente 400 milhões de anos após o Big Bang, a luz ultravioleta das primeiras estrelas, galáxias e quasares se espalhou pelo cosmos, interagindo com o meio intergaláctico e retirando os elétrons dos átomos de hidrogênio primordiais do Universo em um processo conhecido como ionização. Essa Época foi um momento crítico na história do Universo, marcando o fim das eras escuras cósmicas e semeando as grandes estruturas que observamos no nosso
Universo local hoje. Para entender o papel exato que os quasares desempenharam durante essa Época, os astrônomos estão interessados em encontrar e estudar quasares que povoam essa era antiga e distante. “As propriedades estatísticas dos quasares nessa Época nos dizem muitas coisas, como o progresso e a origem da reionização, a formação de buracos negros supermassivos durante o Amanhecer Cósmico, e a evolução inicial das galáxias hospedeiras dos quasares”, disse Yoshiki Matsuoka, astrônomo da Universidade Ehime no Japão e autor principal do artigo descrevendo esses resultados, publicado no Astrophysical Journal Letters. Cerca de 300 quasares foram descobertos nessa Época, mas nenhum deles havia sido encontrado em par. Isso até Matsuoka e sua equipe revisarem imagens tiradas com a Hyper Suprime-Cam no Telescópio Subaru e notarem uma mancha vermelha tênue. “Enquanto examinava imagens de candidatos a quasares, notei duas fontes extremamente vermelhas e semelhantes uma ao lado da outra. “A descoberta foi puramente serendipidade.”
A equipe não tinha certeza se eram realmente um par de quasares, já que candidatos a quasares distantes são contaminados por inúmeras outras fontes, como estrelas e galáxias em primeiro plano e os efeitos de lentes gravitacionais. Para confirmar a natureza desses objetos, a equipe conduziu espectroscopia de acompanhamento usando a Câmera e Espectrógrafo de Objetos Fracos (FOCAS) no Telescópio Subaru e o Espectrógrafo de Infravermelho Próximo Gemini (GNIRS) no Gemini North. Os espectros, que decompõem a luz emitida por uma fonte em seus comprimentos de onda componentes, obtidos com o GNIRS foram cruciais para caracterizar a natureza do par de quasares e suas galáxias hospedeiras. “O que aprendemos com as observações do GNIRS foi que os quasares são muito fracos para serem detectados no infravermelho próximo, mesmo com um dos maiores telescópios do mundo”, disse ele. Isso permitiu à equipe estimar que uma parte da luz detectada na faixa de comprimento de onda óptica não vem dos próprios quasares, mas da formação estelar em andamento nas suas galáxias hospedeiras.
A equipe também descobriu que os dois buracos negros são gigantes, cada um com uma massa 100 milhões de vezes maior que a do Sol. Isso, junto com a presença de uma ponte de gás entre os dois quasares, sugere que eles e suas galáxias hospedeiras estão passando por uma fusão em grande escala. “A existência de quasares em fusão na Época da Reionização era antecipada há muito tempo. Agora foi confirmada pela primeira vez”, disse Matsuoka. Essa Época conecta a formação mais primitiva da estrutura cósmica ao Universo complexo que observamos bilhões de anos depois. Ao estudar objetos distantes desse período, os astrônomos ganham uma visão valiosa sobre o processo de reionização e a formação dos primeiros objetos no Universo. Mais descobertas como esta podem estar no horizonte com a Pesquisa de Legado do Espaço e Tempo (LSST) do Observatório Vera C. Rubin, que começará em 2025 e está preparada para detectar milhões de quasares usando suas capacidades de imagem profunda.
