Os astrônomos observaram diretamente como uma estrela massiva moribunda perdeu uma explosão de supernova e, em vez disso, entrou em colapso em um buraco negro. O evento fornece o conjunto mais detalhado de observações alguma vez recolhidas de uma estrela a fazer esta transição, dando aos investigadores uma imagem invulgarmente abrangente de como os buracos negros estelares se formam.
Ao combinar os novos dados do telescópio com mais de uma década de observações de arquivo, os cientistas foram capazes de testar e esclarecer teorias de longa data sobre como as estrelas mais massivas terminam as suas vidas. Em vez de explodir numa supernova brilhante, o núcleo desta estrela sucumbiu à gravidade e formou um buraco negro. No processo, suas camadas externas instáveis foram gradualmente empurradas para fora.
Conclusões publicadas em 12 de fevereiro em Ciênciaatraem a atenção porque oferecem uma visão rara do nascimento de um buraco negro. Os resultados podem ajudar a explicar por que algumas estrelas massivas explodem dramaticamente no final das suas vidas, enquanto outras entram em colapso silenciosamente.
“Este é apenas o começo da história”, diz Kishalai De, pesquisador do Flatiron Institute da Simons Foundation e principal autor do novo estudo. A luz dos detritos poeirentos que rodeiam o buraco negro recém-nascido, diz ele, “será visível durante décadas à sensibilidade de telescópios como o Telescópio Espacial James Webb porque continuará a desvanecer-se muito lentamente. E poderá ser uma referência para a compreensão de como os buracos negros estelares se formam no Universo.”
O desaparecimento de M31-2014-DS1 em Andrômeda
A estrela, conhecida como M31-2014-DS1, estava a cerca de 2,5 milhões de anos-luz de distância, na galáxia de Andrômeda. De e seus colegas examinaram dados coletados entre 2005 e 2023 pela missão NEOWISE da NASA, juntamente com outros telescópios terrestres e espaciais. Eles descobriram que a estrela começou a brilhar no infravermelho 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, diminuindo para apenas um décimo de milésimo do seu brilho anterior nessas faixas. O que resta agora só pode ser detectado na luz infravermelha média, onde brilha com cerca de um décimo da sua intensidade original.
De diz: “Esta estrela costumava ser uma das estrelas mais brilhantes da galáxia de Andrômeda, mas agora não pode ser vista em lugar nenhum. Imagine se a estrela Betelgeuse desaparecesse repentinamente. Todos perderiam a cabeça! A mesma coisa (estava) acontecendo 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 indicava fortemente que o núcleo da estrela tinha colapsado para formar um buraco negro.
Por que algumas estrelas massivas não explodem
As estrelas brilham porque a fusão nuclear nos seus núcleos transforma hidrogénio em hélio, criando uma pressão externa que se opõe à gravidade. Em estrelas que são pelo menos 10 vezes mais massivas que o nosso Sol, este equilíbrio acaba por se desintegrar quando ficam sem combustível nuclear. 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 fluxo de neutrinos libertado durante este colapso cria uma poderosa onda de choque que despedaça a estrela como uma supernova. Mas se essa onda de choque for demasiado fraca para ejetar o material circundante, grande parte da estrela pode cair para dentro. Modelos teóricos há muito sugerem que esta alternativa poderia transformar uma estrela de nêutrons em um buraco negro.
“Sabemos que os buracos negros existem há quase 50 anos”, diz De, “mas mal começamos a compreender quais as estrelas que se transformam em buracos negros e como o fazem”.
O papel fundamental da convecção
Um estudo detalhado do M31-2014-DS1 também ajudou os pesquisadores a reexaminar um objeto semelhante, NGC 6946-BH1, que foi identificado há uma década. A reanálise de ambos os casos revelou um importante ingrediente que faltava na compreensão do que acontece às camadas exteriores de uma estrela após uma supernova falhada. A resposta está na convecção.
A convecção ocorre devido à grande diferença de temperatura dentro da estrela. O núcleo está muito quente, enquanto as camadas externas são muito mais frias. Esse contraste faz com que o gás circule entre regiões mais quentes e mais frias.
À medida que o núcleo entra em colapso, o gás exterior ainda está em movimento devido a este processo de agitação. De acordo com modelos desenvolvidos no Flatiron Institute, esse movimento evita que a maior parte do material externo afunde diretamente no buraco negro. Em vez disso, algumas das camadas internas circundam o buraco negro, enquanto as camadas externas são empurradas para fora.
À medida que o material gasto sai, ele esfria. Em temperaturas mais baixas, átomos e moléculas se combinam para formar poeira. Esta poeira bloqueia a luz do gás mais quente próximo do buraco negro, absorvendo a energia e reirradiando-a no infravermelho. O resultado é um brilho avermelhado duradouro que pode durar décadas após o desaparecimento da estrela original.
A coautora e pesquisadora da Flatiron, Andrea Antoni, desenvolveu a estrutura teórica para esses modelos de convecção. Com base nas novas observações, diz ela, “a taxa de acreção – a taxa à qual o material cai – é muito menor do que se a estrela caísse diretamente. Este material convectivo tem momento angular, por isso gira em torno do buraco negro. Em vez de cair em meses ou um ano, demora décadas. E por causa de tudo isto, a fonte torna-se mais brilhante do que seria de outra forma, e vemos um longo atraso no escurecimento da estrela original.”
Assim como a água espirala para um ralo em vez de atravessá-lo, o gás continua a girar em torno do 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 de uma só vez. Mesmo depois que o núcleo cede rapidamente, parte do material retorna lentamente ao longo de muitas décadas.
Os investigadores estimam que apenas cerca de um por cento da camada exterior original da estrela eventualmente alimenta o buraco negro, criando a luz fraca ainda vista 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. Um novo estudo fornece fortes evidências de que ambas as estrelas seguiram um caminho semelhante. O que inicialmente parecia ser uma ocorrência incomum, agora acaba por fazer parte de uma categoria mais ampla de supernovas fracassadas que silenciosamente criam buracos negros.
M31-2014-DS1 foi originalmente apontado como um “excêntrico”, diz De, mas agora parece ser um dos vários exemplos, incluindo NGC 6946-BH1.
“É somente com esses valores de descoberta individual que começamos a montar esse tipo de imagem”, diz De.
