O mapa do universo revela a posição da Terra em relação aos quasars

O universo observável é vasto além da compreensão cotidiana, e mapear o nosso lugar dentro dele sempre foi um dos maiores desafios da humanidade. Desde os primeiros astrônomos que usavam as estrelas para navegação até os modernos radiotelescópios, a busca por pontos de referência cósmicos é incessante. Hoje, a resposta para essa navegação em escala colossal não está nas estrelas próximas, mas nos objetos mais distantes e energéticos do cosmos.

A astrofísica moderna usa quasars como referências extragalácticas muito distantes e estáveis, úteis para definir coordenadas no céu e relacionar a posição da Terra a um referencial celeste internacional. Esses objetos também funcionam como sondas do Universo distante e da evolução das galáxias.

O que exatamente é um quasar?

A palavra “quasar” deriva da expressão histórica “fonte de rádio quase estelar”. Quando esses objetos foram identificados na década de 1960, pareciam pontos semelhantes a estrelas nos telescópios, embora alguns apresentassem emissão intensa em ondas de rádio. Hoje, os quasars são reconhecidos como uma classe extremamente luminosa de núcleos galácticos ativos.

Um quasar não é o buraco negro em si. Ele é um tipo extremamente luminoso de núcleo galáctico ativo, alimentado pela acreção de matéria em torno de um buraco negro supermassivo. A energia observada vem principalmente do gás e do plasma aquecidos antes de atravessarem o horizonte de eventos, como explica a NASA em sua apresentação sobre núcleos galácticos ativos.

Essa diferença ajuda a entender por que um buraco negro pode estar cercado por uma região extremamente brilhante mesmo sendo, em si, invisível. O TecMaker explica em detalhes o que acontece no horizonte de eventos de um buraco negro.

Como um quasar produz tanta energia?

No centro do sistema existe um buraco negro supermassivo. Ao redor dele, gás e plasma formam uma região de acreção na qual energia orbital é transformada em calor e radiação antes que parte da matéria alcance o horizonte de eventos.

• Região de acreção: compressão, turbulência e dissipação de energia aquecem o material que orbita o buraco negro, produzindo emissão em diferentes faixas do espectro eletromagnético.
• Campos magnéticos: ajudam a transportar momento angular no plasma e influenciam o fluxo de matéria e energia nas proximidades do buraco negro.
• Jatos relativísticos: em alguns núcleos ativos, campos magnéticos organizam fluxos de plasma que são acelerados para longe da região central. Esses jatos se formam fora do horizonte e não saem do interior do buraco negro.

Mapeando o cosmos com os faróis mais antigos

Por estarem a distâncias cosmológicas, quasars e outros núcleos galácticos ativos apresentam paralaxe e movimento próprio desprezíveis para a construção de um referencial celeste. Isso os torna pontos de referência mais estáveis do que estrelas próximas para medições astronômicas de alta precisão.

O referencial celeste internacional (ICRF)

O ICRF3, mantido no âmbito do IERS, é a realização atual do International Celestial Reference Frame. Na banda S/X, ele reúne 4.536 fontes de rádio extragalácticas, das quais 303 são fontes definidoras. A maioria dessas fontes é formada por quasars, observados principalmente por interferometria de linha de base muito longa, a VLBI.

• Estabilidade aparente: a enorme distância dessas fontes torna sua paralaxe e seu movimento próprio desprezíveis para essa finalidade.
• Geodesia e posicionamento: o ICRF é usado em geodesia, na determinação da orientação da Terra e em aplicações de alta precisão envolvendo órbitas de satélites. Esses referenciais celestes e terrestres fazem parte da infraestrutura metrológica que sustenta a navegação espacial e os sistemas modernos de posicionamento.
• Navegação espacial: referenciais celestes estáveis contribuem para a determinação precisa de órbitas e trajetórias, sem significar que cada posição calculada por um smartphone seja diretamente calibrada por observações de quasars.

A mensagem na garrafa cósmica: o disco de ouro da Voyager

Enquanto os quasars ajudam a ancorar um referencial celeste moderno, as sondas Voyager 1 e 2 levaram em 1977 outra forma de comunicar nosso endereço cósmico. O Golden Record reúne sons, imagens, músicas e saudações da Terra, e sua capa traz um diagrama de localização baseado em pulsares — não em quasars nem no ICRF.

Como os alienígenas encontrariam a Terra?

Segundo a descrição oficial da NASA para a capa do Golden Record, o diagrama representa a localização do Sistema Solar em relação a 14 pulsares.

• O mapa de pulsares: 14 linhas partem da posição do Sol e apontam para pulsares usados como referências galácticas.
• Faróis cósmicos: pulsares são estrelas de nêutrons em rotação que produzem pulsos regulares de radiação.
• Períodos codificados: o período de cada pulsar aparece em notação binária, permitindo identificar essas fontes mesmo que suas frequências mudem lentamente com o tempo.
• Localização relativa: combinando as direções e os períodos indicados, uma civilização capaz de interpretar o diagrama poderia inferir a posição do Sistema Solar e a época aproximada em que o mapa foi produzido.

A dinâmica do redshift e o passado do universo

Como a luz viaja a uma velocidade finita, observar quasars muito distantes significa vê-los como eram no passado. Esses objetos permitem investigar épocas em que as galáxias e seus buracos negros supermassivos estavam em fases diferentes de evolução.

Como funciona o redshift cosmológico?

A expansão do espaço aumenta o comprimento de onda da luz enquanto ela atravessa o Universo. Esse fenômeno é chamado de redshift cosmológico e é uma das ferramentas usadas para estudar distâncias e épocas cosmológicas, conforme resume a NASA em sua explicação sobre redshift cosmológico.

• Expansão do espaço: a expansão estica os comprimentos de onda da luz durante sua propagação.
• Desvio para o vermelho: o espectro observado se desloca para comprimentos de onda maiores em comparação com o espectro emitido.
• Interpretação cosmológica: o redshift é analisado com outros dados e com um modelo cosmológico. Ele não deve ser tratado como uma regra linear universal segundo a qual um valor maior sempre se converte diretamente em uma distância proporcionalmente maior.

Ao combinar redshift, posição no céu e outras observações, astrônomos usam quasars para estudar o Universo distante e reconstruir parte de sua história. Como eram mais comuns em épocas passadas, eles também ajudam a investigar a evolução das galáxias e o crescimento de buracos negros supermassivos.

Por que a astrofísica moderna depende dos quasars?

Quasars são ferramentas importantes para diferentes áreas da astrofísica e da cosmologia. Sua luminosidade permite observá-los a enormes distâncias e usar sua luz como sonda dos ambientes atravessados ao longo do caminho.

1. Universo distante e estrutura em grande escala: a distribuição e o espectro dos quasars ajudam a estudar a matéria em grandes escalas e diferentes épocas cósmicas.
2. Meio intergaláctico: a absorção registrada na luz dos quasars revela propriedades do gás existente entre as galáxias.
3. Lentes gravitacionais: galáxias e outras estruturas podem curvar e ampliar a luz de quasars mais distantes, oferecendo informações sobre a distribuição de matéria, inclusive matéria escura.
4. Evolução de galáxias: os núcleos ativos ajudam a investigar como galáxias e buracos negros supermassivos crescem e influenciam um ao outro.

Uma perspectiva humana sobre a imensidão cósmica

Somos uma espécie em um pequeno planeta rochoso, mas aprendemos a relacionar nossa posição a fontes extragalácticas observadas a bilhões de anos-luz. O referencial construído com quasars e a mensagem levada pelas sondas Voyager representam abordagens diferentes para o mesmo impulso: compreender nosso lugar no cosmos e registrar esse conhecimento com a maior precisão possível.

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