Como a rotação estelar explica o escurecimento dos clarões dos buracos negros

No centro da maioria das galáxias encontra-se um buraco negro supermassivo, com uma massa que varia entre milhões e milhares de milhões de vezes a do nosso Sol e com uma das gravidades mais extremas do Universo.

Algumas estrelas que se aventuram demasiado perto desses buracos negros sobrevivem para contar a história. Em vez de serem completamente destruídas, sobrevivem para fazer repetidas passagens próximas, produzindo, de cada vez, um novo clarão de luz.

Estes eventos recorrentes e parciais de perturbação de marés (com a sigla inglesa “rpTDEs”, “repeating partial tidal disruption events”) dão aos astrónomos a oportunidade de observar a interação entre a mesma estrela e o buraco negro a desenrolar-se repetidamente, graças a levantamentos de campo largo e no domínio do tempo que estudam regularmente grandes áreas do céu à procura de objetos cujo brilho se altera.

Mas, em vários casos, os investigadores notaram um padrão intrigante: os clarões sucessivos tornam-se progressivamente mais fracos. Durante anos, os modelos teóricos não conseguiram explicar porquê.

Agora, uma equipa de astrofísicos da Universidade de Syracuse demonstrou que a resposta pode residir num factor anteriormente ignorado – a rotação da estrela.

O estudo, publicado na revista The Astrophysical Journal, foi liderado pela doutoranda Ananya Bandopadhyay, em colaboração com o investigador de pós-doutoramento Benjamin Amend e o professor associado Eric Coughlin – todos do Departamento de Física -, bem como com colegas de outras instituições.

Quando as estrelas encontram buracos negros

Num típico evento de perturbação de marés (com a sigla inglesa “TDE”, “tidal disruption event”), a força de maré de um buraco negro – a diferença na atração gravitacional exercida sobre uma estrela próxima – destrói completamente a estrela.

À medida que os detritos estelares resultantes da destruição caem em direção ao buraco negro, perdem energia que é emitida sob a forma de luz ao longo de dias ou meses.

Embora os próprios buracos negros não emitam luz, os TDEs fornecem um abastecimento de combustível de curta duração que ilumina a região circundante, permitindo aos astrónomos estudar indiretamente estes objetos que, de outra forma, seriam invisíveis.

Se uma estrela em órbita de um buraco negro não se aproximar o suficiente para ser completamente despedaçada, pode, no entanto, perder uma fração da sua massa, resultando num TDE parcial. Num TDE parcial e recorrente, o núcleo sobrevivente continua a orbitar o buraco negro, perdendo mais material a cada nova passagem próxima, com intervalos que variam entre alguns meses e vários anos.

O mistério do escurecimento

A quantidade de matéria que uma estrela perde durante encontros recorrentes depende, em parte, da sua estrutura interna. Bandopadhyay compara uma estrela de baixa massa a um merengue fofo, que pode tornar-se cada vez mais vulnerável às forças de maré do buraco negro. Em contrapartida, uma estrela de maior massa tem uma estrutura mais concentrada no centro, semelhante a uma cebola, e pode perder as suas camadas exteriores enquanto o seu núcleo denso permanece relativamente inalterado, perdendo quantidades cada vez menores de massa ao longo do tempo.

Essas diferenças podem ajudar a explicar por que razão nem todos os rpTDEs se comportam da mesma forma. Mas um padrão em particular tem intrigado os investigadores. Dos cerca de 10 sistemas recorrentes identificados até à data, quatro produziram surtos que se tornam progressivamente mais fracos.

A diminuição da perda de massa pode parecer uma explicação óbvia. No entanto, simulações hidrodinâmicas anteriores mostraram que, surpreendentemente, mesmo com a diminuição da quantidade de material perdido a cada encontro, as erupções previstas mantinham aproximadamente o mesmo brilho.

“Ficámos estupefactos com isto durante dois anos”, afirma Bandopadhyay.

O seu trabalho anterior tinha revelado outro efeito das forças de maré do buraco negro. Além de arrancarem material da estrela, estas forças exercem um binário que faz com que a estrela gire mais rapidamente a cada aproximação. Como resultado, embora menos material volte a cair em direção ao buraco negro, este regressa num período mais curto, ajudando a manter a explosão prevista com aproximadamente o mesmo brilho.

Para reproduzir o escurecimento que os astrónomos estavam efetivamente a observar, os investigadores precisavam do que Bandopadhyay designou como “um novo ingrediente” – uma estrela que já girasse rapidamente antes do seu primeiro encontro com o buraco negro.

O novo estudo descobriu que esta rotação inicial impede que a estrela acelere significativamente a sua rotação durante cada passagem. Sem esse aumento adicional de rotação, a escala temporal durante a qual o material arrancado volta a cair permanece relativamente constante. À medida que a estrela perde menos material a cada encontro, a taxa máxima de queda – e o brilho previsto da erupção – podem finalmente diminuir.

Rastreando o passado da estrela

Mas por que razão estaria a estrela já a girar tão depressa?

“É também extremamente difícil ‘ligar’ uma estrela a um buraco negro supermassivo de forma tão íntima que ela orbite o buraco negro numa questão de meses, e, no entanto, parece que isso acontece nos rpTDEs”, afirma Coughlin.

O chamado mecanismo de Hills pode explicar ambos os fenómenos. Neste cenário, um par de estrelas em órbita íntima passa junto a um buraco negro supermassivo, que separa o sistema binário, ejetando uma estrela e capturando a outra.

Num sistema binário íntimo, as estrelas podem ficar em acoplamento de maré, fazendo com que cada uma gire em torno do seu eixo à mesma velocidade com que o par se orbita um ao outro. Quanto mais íntimo for o sistema binário, mais curto será o período orbital e mais rapidamente girará uma estrela em acoplamento de maré. Os sistemas binários capazes de deixar uma estrela capturada na órbita curta observada nos rpTDEs teriam de ser extremamente íntimos – deixando também uma estrela em acoplamento de maré a girar rapidamente antes da sua captura.

“O trabalho de Ananya demonstra que cada uma destas peculiaridades pode ser explicada pelo mesmo fenómeno subjacente: a destruição, por forças de maré, de um sistema binário e a captura de uma das estrelas”, afirma Coughlin. “Do ponto de vista teórico, este é um grande passo em frente na nossa compreensão da física em ação nestes sistemas”.

Numa perspetiva mais ampla, Coughlin sublinha que a captura de Hills também pode ter dado origem a algumas das estrelas que orbitam Sagitário A*, o buraco negro supermassivo no centro da Via Láctea. As novas descobertas poderão, portanto, ajudar a explicar algumas das propriedades das estrelas naquilo a que ele chama “o nosso próprio quintal cosmológico”.

// Universidade de Syracuse (comunicado de imprensa)
// Artigo científico (The Astrophysical Journal)

Saiba mais:

Evento de perturbação de marés (sigla inglesa “TDE”, “tidal disruption event”):
Wikipedia

Buraco negro supermassivo:
Wikipedia

Mecanismo de Hills:
Wikipedia