Quando dois quasares aparecem muito próximos no céu, isso não significa necessariamente que eles também estejam próximos no espaço. Podemos medir com bastante precisão a separação aparente entre os dois objetos na imagem, mas descobrir qual deles está mais à frente ou mais atrás e qual é a distância real entre eles continua sendo um problema difícil.
Uma equipe liderada pelo astrofísico Huanqing Chen, da Universidade de Alberta, no Canadá, propôs uma maneira diferente de resolver essa dificuldade. Em vez de depender apenas do desvio para o vermelho dos próprios quasares para estimar a distância entre eles ao longo da nossa linha de visão, os pesquisadores utilizaram a maneira como a intensa radiação desses objetos modifica o gás existente em suas proximidades.
O método explora o chamado efeito de proximidade dos quasares e, em simulações, conseguiu reconstruir a separação de determinados pares com precisão de algumas centenas de milhares de anos-luz, muito melhor do que as incertezas que podem surgir quando a velocidade do gás associada ao quasar é utilizada para determinar sua posição.
O estudo foi realizado por Huanqing Chen, Camille Avestruz e Jakob Wiest e publicado no The Astrophysical Journal Letters. Por enquanto, trata-se de uma prova de conceito baseada em espectros sintéticos, mas os resultados indicam que uma informação já presente nos espectros dos quasares pode ajudar os astrônomos a descobrir se dois objetos que parecem vizinhos no céu realmente estão próximos o suficiente para que suas galáxias interajam e eventualmente se fundam.
Quasares são núcleos galácticos extremamente luminosos alimentados pela acreção de matéria por buracos negros supermassivos. Quando grandes quantidades de gás caem em direção ao buraco negro, elas formam um disco de acreção extremamente quente, capaz de emitir enormes quantidades de radiação. Alguns desses sistemas também produzem poderosos jatos relativísticos.
A luminosidade pode ser tão intensa que o núcleo ativo supera temporariamente a luz combinada das estrelas da galáxia que o abriga, permitindo detectar quasares a distâncias cosmológicas enormes.
Encontrar dois quasares próximos é particularmente interessante porque alguns desses pares podem representar galáxias em processo de interação ou fusão. Conforme as galáxias evoluem, seus buracos negros supermassivos também podem se aproximar e, eventualmente, formar um sistema binário e se fundir.
Os pesquisadores estão especialmente interessados em pares encontrados no Universo muito jovem. O novo estudo se concentra em sistemas de alto desvio para o vermelho, z ≳ 5, observados quando o Universo tinha apenas uma pequena fração de sua idade atual. Esses pares podem fornecer informações importantes sobre como galáxias e buracos negros supermassivos cresceram nas primeiras épocas da história cósmica.
Mas existe uma dificuldade básica antes mesmo de estudar a evolução desses sistemas: determinar se os dois quasares realmente estão próximos.
Quando observamos o céu, enxergamos uma projeção bidimensional de um espaço tridimensional. É relativamente simples medir a distância angular entre dois quasares na imagem e, conhecendo a distância cosmológica aproximada do sistema, converter essa separação em uma distância transversal.
O problema aparece na terceira dimensão, ao longo da nossa linha de visão.
Dois quasares podem parecer quase lado a lado no céu e, ainda assim, um deles estar milhões de anos-luz à frente do outro.
Nesse caso, eles não formariam necessariamente um par fisicamente próximo e suas galáxias poderiam nem estar interagindo.
Por isso, conhecer apenas a separação projetada no céu não basta. É necessário reconstruir a geometria tridimensional do sistema.
Normalmente, os astrônomos utilizam o desvio para o vermelho para obter informações sobre a distância e a velocidade de recessão de objetos distantes.
A expansão do Universo faz com que a luz de galáxias distantes seja deslocada para comprimentos de onda maiores. Quanto maior o desvio cosmológico para o vermelho, de maneira geral, mais distante está o objeto e mais antiga é a luz que estamos observando.
Mas medir com extrema precisão o desvio para o vermelho sistêmico de um quasar apresenta dificuldades particulares.
As linhas espectrais observadas estão associadas ao gás existente nas regiões próximas ao buraco negro ativo, e esse gás não permanece necessariamente acompanhando tranquilamente o movimento da galáxia.
A enorme quantidade de energia liberada pelo núcleo ativo pode produzir movimentos intensos. Gás pode estar entrando, saindo ou circulando em altas velocidades, deslocando as linhas espectrais utilizadas na medição.
Assim, parte da velocidade observada pode não corresponder ao movimento da galáxia como um todo.
Esse problema se torna especialmente importante quando o objetivo não é simplesmente estimar a distância cosmológica de um único quasar, mas determinar a pequena diferença de distância entre dois quasares extremamente distantes.
Segundo Chen, os erros sistemáticos associados a essas velocidades podem deslocar a separação inferida na linha de visão em até cerca de 10 milhões de anos-luz. Uma diferença dessa ordem é suficiente para transformar dois objetos aparentemente próximos em galáxias distantes demais para estarem interagindo fortemente.
Foi justamente essa incerteza que motivou a equipe a procurar outra forma de medir a geometria dos pares.
A alternativa investigada utiliza o efeito de proximidade do quasar.
A ideia depende de uma característica fundamental desses objetos: quasares produzem enormes quantidades de radiação ionizante.
No Universo distante, existe gás de hidrogênio distribuído entre as galáxias. Quando observamos o espectro de um quasar distante, esse gás deixa uma série de linhas de absorção porque diferentes nuvens localizadas ao longo da linha de visão absorvem parte da luz em comprimentos de onda específicos.
Nas proximidades de um quasar, porém, a situação muda.
A intensa radiação ionizante do núcleo ativo reduz a quantidade de hidrogênio neutro ao seu redor. Com menos hidrogênio neutro disponível para absorver a radiação, essa região torna-se mais transparente em determinados comprimentos de onda.
O resultado aparece no espectro como uma zona de proximidade.
É como se o próprio quasar criasse uma região observável ao seu redor que registra até onde sua influência radiativa consegue modificar o gás intergaláctico.
Chen compara o fenômeno a lâmpadas iluminando uma sala escura. Se duas lâmpadas estiverem praticamente na mesma posição, suas regiões iluminadas se sobrepõem. Se uma estiver deslocada em profundidade em relação à outra, aparece uma segunda região iluminada em outra posição. A separação entre essas regiões contém informação sobre a distância entre as fontes.
Com quasares, o princípio é semelhante, mas a informação está codificada no espectro.
A grande vantagem aparece quando temos dois quasares relativamente próximos no céu.
A radiação de um deles não afeta apenas o gás situado diretamente entre ele e nós. Ela também pode ionizar gás existente próximo à linha de visão do outro quasar.
Isso cria uma assinatura adicional no espectro.
A posição dessa região de maior transmissão depende da geometria tridimensional do par. Portanto, se os pesquisadores conseguem identificar onde a influência do segundo quasar aparece no espectro do primeiro, podem utilizar essa informação para restringir a separação entre eles ao longo da linha de visão.
Em vez de depender exclusivamente das linhas de emissão produzidas pelo gás em movimento nas proximidades do buraco negro, o método utiliza a marca que a radiação do quasar deixa no gás intergaláctico ao seu redor.
Foi essa possibilidade que Chen, Avestruz e Wiest decidiram testar.
Existe uma ressalva fundamental no trabalho: os pesquisadores ainda não aplicaram o método para medir a separação de um par real de quasares.
O estudo utilizou espectros sintéticos de zonas de proximidade, produzidos a partir de simulações.
A equipe criou diferentes configurações tridimensionais de pares de quasares, variando tanto a separação projetada no céu quanto a distância entre os objetos ao longo da linha de visão.
Depois, analisou como essas diferentes geometrias alteravam os espectros simulados.
Os pesquisadores utilizaram inicialmente um algoritmo relativamente simples para localizar picos de transmissão produzidos pela influência do segundo quasar.
A pergunta era se a posição dessas características no espectro poderia ser utilizada para recuperar a distância que havia sido colocada originalmente na simulação.
E os resultados mostraram que, em determinadas condições, isso é possível.
Para pares com pequenas separações projetadas no céu, entre aproximadamente 10 e 100 quiloparsecs físicos, o método conseguiu distinguir facilmente sistemas cuja separação na linha de visão era menor ou maior que aproximadamente 1 megaparsec.
Um megaparsec corresponde a aproximadamente 3,26 milhões de anos-luz.
Quando a verdadeira separação na linha de visão era igual ou superior a 3 megaparsecs, a distância pôde ser recuperada nas simulações com precisão de aproximadamente 0,2 megaparsec, o equivalente a cerca de 650 mil anos-luz.
Isso pode parecer uma incerteza enorme em termos cotidianos, mas estamos falando de objetos observados a distâncias cosmológicas e de um problema no qual métodos convencionais podem produzir erros de milhões de anos-luz.
A precisão também muda quando os quasares aparecem mais separados no plano do céu.
Para sistemas com separação projetada de aproximadamente 1 megaparsec, as incertezas aumentaram. Ainda assim, o método conseguiu distinguir facilmente configurações cuja separação na linha de visão era menor ou maior que aproximadamente 4 megaparsecs.
Nos casos em que a verdadeira separação era superior a 4 megaparsecs, a incerteza ficou em torno de 0,5 megaparsec, aproximadamente 1,6 milhão de anos-luz.
Portanto, não existe uma precisão única para a nova técnica. Seu desempenho depende da geometria do par e da distância que os pesquisadores estão tentando reconstruir.
Esses números mostram por que a técnica pode ser particularmente útil para separar duas situações fisicamente muito diferentes.
Imagine dois quasares que aparecem extremamente próximos em uma imagem.
Eles podem pertencer a duas galáxias realmente vizinhas, possivelmente interagindo e caminhando para uma fusão. Ou podem simplesmente estar quase alinhados do nosso ponto de vista, mas separados por milhões de anos-luz em profundidade.
As duas situações podem parecer semelhantes em uma imagem bidimensional.
A zona de proximidade oferece uma maneira adicional de distinguir esses cenários.
Isso é especialmente importante para estudar pares de quasares em alto desvio para o vermelho. O artigo destaca que sistemas encontrados em z ≳ 5 são possíveis precursores de fusões de buracos negros supermassivos e podem fornecer informações sobre como esses objetos conseguiram crescer tão rapidamente no Universo jovem.
Para interpretar corretamente esses sistemas, entretanto, primeiro precisamos saber se estamos realmente observando duas galáxias fisicamente próximas.
A separação tridimensional também ajuda a estimar escalas de tempo associadas à interação e à futura fusão das galáxias hospedeiras.
Outra vantagem potencial é que a informação necessária pode já estar disponível em observações espectroscópicas existentes.
Algumas maneiras de obter medidas mais precisas do desvio para o vermelho sistêmico de quasares exigem observações especializadas e acesso a instrumentos muito disputados. Dependendo do objeto, conseguir novas observações pode levar anos ou simplesmente não ser possível.
O método das zonas de proximidade poderia oferecer uma informação adicional utilizando os próprios espectros dos pares de quasares, sem necessariamente exigir uma segunda campanha observacional especializada.
Isso ainda precisa ser demonstrado com dados reais.
O estudo atual utilizou simulações e um algoritmo relativamente simples, portanto o desempenho obtido em condições controladas não deve ser tratado como a precisão que automaticamente será alcançada em observações verdadeiras.
Espectros reais contêm ruído, limitações instrumentais e uma distribuição complexa de gás intergaláctico. Além disso, as propriedades dos próprios quasares, incluindo sua luminosidade, idade e emissão ionizante, podem influenciar as zonas de proximidade.
É justamente por isso que os autores apresentam o trabalho como uma prova de conceito.
O próximo passo será investigar até que ponto características menores e mais detalhadas dos espectros podem melhorar a reconstrução da distância.
Chen pretende aplicar abordagens mais sofisticadas às estruturas de pequena escala presentes nas zonas de proximidade e avançar em direção à utilização de espectros reais.
Se a técnica continuar funcionando quando todas as complicações observacionais forem incluídas, ela poderá se tornar uma ferramenta importante para estudar a população crescente de pares de quasares descobertos no Universo distante.
Isso permitirá não apenas decidir quais pares estão realmente próximos, mas também reconstruir melhor a geometria das galáxias que os hospedam, estudar suas interações e investigar os caminhos que podem levar seus buracos negros supermassivos a formar sistemas binários e, eventualmente, se fundir.
O resultado, portanto, não é uma nova maneira de medir diretamente a taxa de expansão do Universo, como a introdução do texto-base pode sugerir.
O problema é mais específico.
Quando vemos dois quasares aparentemente lado a lado a bilhões de anos-luz de distância, conhecemos muito bem sua posição em duas dimensões, mas podemos estar praticamente cegos para a terceira.
A proposta de Chen e seus colaboradores é utilizar a própria influência dos quasares sobre o gás cósmico como uma espécie de marcador de profundidade.
Nas simulações, a ideia funciona.
Agora será necessário descobrir se as marcas deixadas pela luz dos quasares no Universo real são suficientemente claras para transformar essa prova de conceito em uma nova ferramenta para reconstruir sistemas de galáxias e buracos negros supermassivos no cosmos distante.
Sobre a Imagem: Concepção artística mostrando a luz intensa de um par de quasares nos núcleos de duas galáxias em processo de fusão.
Créditos da Imagem: NASA/ESA/Joseph Olmsted (STScI)
Fonte: https://www.ualberta.ca/en/folio/2026/09/closing-the-space-gap.html
Artigo: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae5ca2