CCVAlg – Astronomia Centro Ciência Viva do Algarve – Astronomia
Crédito: Keith Miller, Caltech/IPAC – SELab
Os astrónomos observaram uma estrela moribunda que não explodiu como supernova, mas que se transformou num buraco negro. Esta observação notável é o registo observacional mais completo alguma vez feito da transformação de uma estrela num buraco negro, permitindo aos astrónomos construir uma abrangente imagem física do processo.
Combinando observações recentes da estrela com mais de uma década de dados de arquivo, os astrónomos confirmaram e refinaram modelos teóricos de como estrelas tão massivas se transformam em buracos negros. A equipa descobriu que a estrela não explodiu como uma supernova no final da sua vida; em vez disso, o núcleo da estrela colapsou num buraco negro, expulsando lentamente as suas camadas exteriores turbulentas no processo.
Os resultados, publicados a 12 de fevereiro na revista Science, já estão a gerar entusiasmo por constituírem um raro vislumbre das misteriosas origens dos buracos negros. A descoberta ajudará a explicar porque é que algumas estrelas massivas se transformam em buracos negros quando morrem, enquanto outras não.
“Isto é apenas o início da história”, diz Kishalay De, investigador associado do Instituto Flatiron da Fundação Simons e principal autor do novo estudo. A luz dos detritos empoeirados que rodeiam o buraco negro recém-nascido, diz ele, “vai ser visível durante décadas ao nível de sensibilidade de telescópios como o Telescópio Espacial James Webb, porque vai continuar a desvanecer muito lentamente. E isto pode acabar por ser um ponto de referência para compreender como os buracos negros estelares se formam no Universo”.
A estrela agora extinta, chamada M31-2014-DS1, está localizada a cerca de 2,5 milhões de anos-luz de distância da Terra, na vizinha Galáxia de Andrómeda. De e os seus colaboradores analisaram as medições da estrela efetuadas pelo projeto NEOWISE da NASA e por outros telescópios terrestres e espaciais durante um período que vai de 2005 a 2023. Descobriram que a luz infravermelha de M31-2014-DS1 começou a aumentar de brilho em 2014. Depois, em 2016, a estrela caiu rapidamente muito abaixo da sua luminosidade original em apenas um ano.
Observações em 2022 e 2023 mostraram que a estrela desapareceu essencialmente no visível e no infravermelho próximo, tornando-se 10.000 vezes menos brilhante nestes comprimentos de onda. O seu remanescente é agora apenas detetável no infravermelho médio, onde brilha com apenas um-décimo do brilho anterior.
De diz: “Esta estrela costumava ser uma das mais luminosas da Galáxia de Andrómeda e agora não se vê em lado nenhum. Imaginem se a estrela Betelgeuse desaparecesse de repente. Toda a gente perderia a cabeça! O mesmo tipo de coisa [estava] a acontecer com esta estrela na Galáxia de Andrómeda”.
Comparando estas observações com previsões teóricas, os investigadores concluíram que o dramático desvanecimento da estrela para uma fração tão pequena do seu brilho total original constitui uma forte evidência de que o seu núcleo colapsou e se tornou um buraco negro.
As estrelas fundem hidrogénio em hélio nos seus núcleos, e esse processo gera uma pressão externa para equilibrar a incessante atração interna da gravidade. Quando uma estrela massiva, cerca de 10 ou mais vezes mais massiva do que o nosso Sol, começa a ficar sem combustível, o equilíbrio entre as forças internas e externas é perturbado. A gravidade começa a colapsar a estrela, e o seu núcleo sucumbe primeiro para formar uma densa estrela de neutrões no centro.
Muitas vezes, a emissão de neutrinos neste processo gera uma poderosa onda de choque que é suficientemente explosiva para rasgar a maior parte do núcleo e das camadas exteriores numa supernova. No entanto, se a onda de choque de neutrinos não conseguir empurrar o material estelar para fora, a teoria há muito que sugere que a maior parte do material estelar cairia de novo na estrela de neutrões, formando um buraco negro.
“Há quase 50 anos que sabemos que os buracos negros existem”, diz De, “mas ainda mal começámos a perceber que estrelas se transformam em buracos negros e como o fazem”.
As observações e análises de M31-2014-DS1 permitiram à equipa reinterpretar as observações de uma estrela semelhante, NGC 6946-BH1. Isto levou a um importante avanço na compreensão do que aconteceu às camadas exteriores que envolveram a estrela depois desta não ter conseguido entrar em supernova e ter colapsado num buraco negro. O elemento esquecido? A convecção.
A convecção é um subproduto das grandes diferenças de temperatura no interior da estrela. O material perto do centro da estrela é extremamente quente, enquanto as regiões exteriores são muito mais frias. Esta diferença faz com que os gases no interior da estrela se desloquem das regiões mais quentes para as mais frias.
Quando o núcleo da estrela entra em colapso, o gás nas suas camadas exteriores continua a mover-se rapidamente devido a esta convecção. Os modelos teóricos desenvolvidos pelos astrónomos do Instituto Flatiron mostraram que este facto impede que a maior parte das camadas exteriores caia diretamente no buraco negro; em vez disso, as camadas mais interiores orbitam fora do buraco negro e impulsionam a ejeção das camadas mais exteriores da zona de convecção.
O material ejetado arrefece à medida que se afasta do material quente que rodeia o buraco negro. Este material frio forma rapidamente poeira à medida que os átomos e as moléculas se combinam. A poeira obscurece o gás quente que orbita o buraco negro, aquecendo a poeira e produzindo um brilho observável em comprimentos de onda infravermelhos. Este brilho vermelho persistente é visível durante décadas após o desaparecimento da própria estrela.
A coautora e bolseira de investigação do Instituto Flatiron, Andrea Antoni, desenvolveu anteriormente as previsões teóricas para estes modelos de convecção. Com as impressionantes evidências observacionais de M31-2014-DS1, diz ela, “o ritmo de acreção – a taxa de material que cai – é muito mais lento do que se a estrela implodisse diretamente para dentro. Este material convectivo tem momento angular, pelo que circula em torno do buraco negro. Em vez de demorar meses ou um ano a cair, está a demorar décadas. E por causa de tudo isto, torna-se uma fonte mais brilhante do que seria de outra forma, e observamos um longo atraso no escurecimento da estrela original”.
Tal como a água gira em torno do ralo de uma banheira em vez de fluir diretamente para baixo, o gás em movimento em torno deste buraco negro recém-formado continua na sua órbita caótica, mesmo quando é lentamente puxado para dentro. Assim, a lenta queda gerada pela convecção impede que a estrela inteira colapse diretamente no buraco negro recém-nascido. Em vez disso, os investigadores propõem que, mesmo depois do núcleo implodir, uma parte do material cai lentamente ao longo de muitas décadas.
Apenas cerca de um por cento do gás do invólucro estelar original cai no buraco negro, alimentando a luz que dele emana atualmente, estimam os investigadores.
Enquanto analisavam as observações de M31-2014-DS1, De e a sua equipa também reavaliaram uma estrela semelhante, NGC 6946-BH1, classificada há 10 anos. No novo artigo científico, apresentam evidências impressionantes que explicam porque é que esta estrela seguiu um padrão semelhante. M31-2014-DS1 destacou-se inicialmente como um “objeto bizarro”, diz De, mas agora parece ser apenas membro de uma classe de objetos – incluindo NGC 6946-BH1.
“Só com estas joias individuais da descoberta é que começamos a compor um quadro como este”, diz De.
// Fundação Simons (comunicado de imprensa)
// Universidade de Columbia (comunicado de imprensa)
// Caltech (comunicado de imprensa)
// NASA (blog)
// Artigo científico (Science)
Saiba mais:
Buraco negro:
Wikipedia
Buraco negro estelar (Wikipedia)
