Os astrônomos observaram diretamente uma enorme estrela moribunda evitando uma explosão de supernova e, em vez disso, colapsando em um buraco negro. O evento proporcionou a observação mais detalhada da transformação de uma estrela, dando aos investigadores uma compreensão invulgarmente completa de como os buracos negros estelares se formam.
Ao combinar novos dados do telescópio com mais de uma década de observações arquivadas, os cientistas foram capazes de testar e refinar teorias de longa data sobre como as estrelas mais massivas terminam as suas vidas. Em vez de explodir numa supernova brilhante, o núcleo da estrela desintegrou-se sob a influência da gravidade e formou um buraco negro. No processo, sua camada externa instável é gradualmente empurrada para fora.
As descobertas foram publicadas em 12 de fevereiro ciênciasão interessantes porque fornecem observações raras do nascimento de um buraco negro. Estes resultados podem ajudar a explicar porque é que algumas estrelas massivas explodem violentamente no final das suas vidas, enquanto outras entram em colapso silenciosamente.
“Este é apenas o começo da história”, disse Kishalay De, pesquisador associado do Flatiron Institute da Fundação Simons e principal autor do novo estudo. Ele disse que a luz dos restos de poeira que rodeiam o buraco negro recém-nascido “será visível durante décadas ao nível de sensibilidade de telescópios como o Telescópio Espacial James Webb, à medida que continua a desaparecer muito lentamente. Isto poderá vir a tornar-se uma referência para a compreensão de como os buracos negros estelares se formam no Universo.”
O desaparecimento de M31-2014-DS1 na Galáxia de Andrômeda
A estrela, conhecida como M31-2014-DS1, está localizada a cerca de 2,5 milhões de anos-luz de distância, na Galáxia de Andrômeda. De e colegas examinaram dados recolhidos pela missão NEOWISE da NASA e outros telescópios terrestres e espaciais de 2005 a 2023. Descobriram que a estrela começou a brilhar na luz infravermelha em 2014. Depois, em 2016, o seu brilho caiu drasticamente em menos de um ano.
Em 2022 e 2023, a estrela praticamente desapareceu nos comprimentos de onda do visível e do infravermelho próximo, com o seu brilho nestas bandas a cair para apenas um décimo de milésimo do seu brilho anterior. O que resta agora é detectável apenas na luz infravermelha média, que brilha com cerca de um décimo de sua intensidade original.
De disse: “Esta estrela já foi uma das estrelas mais brilhantes da Galáxia de Andrômeda e agora desapareceu. Imagine se Betelgeuse desaparecesse repentinamente, todos perderiam a cabeça! A mesma coisa aconteceu com esta estrela na Galáxia de Andrômeda.”
Quando a equipa comparou as observações com as previsões teóricas, concluiu que uma queda tão extrema no brilho sugeria fortemente que o núcleo da estrela entrou em colapso e formou um buraco negro.
Por que algumas estrelas massivas não explodem
As estrelas brilham porque a fusão nuclear em seus núcleos converte hidrogênio em hélio, criando uma pressão externa que neutraliza a gravidade. Em estrelas pelo menos dez vezes mais massivas que o Sol, este equilíbrio acaba por ser perturbado quando o combustível nuclear se esgota. A gravidade então supera a pressão externa, fazendo com que o núcleo entre em colapso e forme uma densa estrela de nêutrons.
Em muitos casos, o grande número de neutrinos libertados durante o processo de colapso cria poderosas ondas de choque que destroem a estrela numa supernova. Mas se a onda de choque for demasiado fraca para ejectar o material circundante, então grande parte da estrela cairá para dentro. Os modelos teóricos há muito sugerem que este recuo pode transformar uma estrela de neutrões num buraco negro.
“Sabemos da existência de buracos negros há quase 50 anos”, disse De, “mas apenas arranhamos a superfície de quais estrelas se tornam buracos negros e como o fazem”.
O papel fundamental da convecção
O estudo detalhado do M31-2014-DS1 também ajudou os pesquisadores a dar uma nova olhada em um objeto semelhante descoberto há uma década, o NGC 6946-BH1. A reanálise destes dois casos revela um factor chave que falta na compreensão do que acontece às camadas exteriores de uma estrela após a falha de uma supernova. A resposta está na convecção.
A convecção é causada por grandes diferenças de temperatura dentro das estrelas. O núcleo está muito quente, enquanto a camada externa é muito mais fria. Esse contraste faz com que os gases circulem entre áreas mais quentes e mais frias.
Quando o núcleo entra em colapso, o gás externo ainda está em movimento devido a este processo de agitação. De acordo com um modelo desenvolvido pelo Flatiron Institute, esse movimento evita que a maior parte da matéria externa caia diretamente no buraco negro. Em vez disso, algumas camadas internas circundam o buraco negro, enquanto as camadas mais externas são empurradas para fora.
À medida que o material expelido sai, ele esfria. Em temperaturas mais baixas, átomos e moléculas se combinam para formar poeira. Esta poeira bloqueia a luz do gás mais quente perto do buraco negro, absorvendo a energia e reemitindo-a em comprimentos de onda infravermelhos. O resultado é um brilho vermelho persistente que pode durar décadas após o desaparecimento da estrela original.
A coautora e pesquisadora da Flatiron, Andrea Antoni, desenvolveu a arquitetura teórica por trás desses modelos de convecção. Com base nas novas observações, ela disse: “A taxa de acreção – a velocidade com que a matéria cai – é muito mais lenta do que a implosão direta da estrela. Este material convectivo tem momento angular, por isso orbita o buraco negro.
Como a água que desce em espiral por uma sarjeta em vez de cair diretamente, o gás continua a orbitar o buraco negro recém-formado à medida que a gravidade o puxa gradualmente para dentro. Este colapso retardado significa que a estrela inteira não entra em colapso ao mesmo tempo. Mesmo depois que o núcleo cede rapidamente, alguns materiais recuam lentamente ao longo de décadas.
Os investigadores estimam que apenas cerca de um por cento da camada exterior original da estrela alimentou o buraco negro, produzindo a luz fraca ainda observada hoje.
Construindo uma visão mais ampla da formação de buracos negros
Ao analisar o M31-2014-DS1, a equipe também reexaminou o NGC 6946-BH1. O novo estudo fornece fortes evidências de que ambas as estrelas seguiram um caminho semelhante. O que inicialmente parecia um caso incomum agora parece fazer parte de uma categoria mais ampla de supernovas fracassadas que criam buracos negros silenciosamente.
M31-2014-DS1 foi inicialmente considerado uma “coisa estranha”, mas agora parece ser um entre vários exemplos, incluindo NGC 6946-BH1, disse De.
“Somente através dessas jóias descobertas individualmente podemos começar a montar esse quadro”, disse De.
