Astrônomos observam estrela gigante desmoronar em um buraco negro sem supernova

Ao combinar novos dados de telescópios com mais de uma década de observações arquivadas, os cientistas puderam testar e refinar teorias de longa data sobre como as estrelas mais massivas terminam suas vidas. Em vez de explodir para fora em uma brilhante supernova, o núcleo desta estrela cedeu sob a gravidade e formou um buraco negro. No processo, suas camadas externas instáveis foram gradualmente empurradas para fora.

Os resultados, publicados em 12 de fevereiro na Science, estão chamando 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 de suas vidas, enquanto outras colapsam silenciosamente.

“Isto é apenas o começo da história”, diz Kishalay De, cientista de pesquisa associado no Instituto Flatiron da Fundação Simons e autor principal do novo estudo. A luz dos detritos empoeirados que cercam o recém-nascido buraco negro, diz ele, “vai ser visível por décadas no nível de sensibilidade de telescópios como o Telescópio Espacial James Webb, porque vai continuar a desaparecer muito lentamente. E isso pode acabar sendo um marco para entender como os buracos negros estelares se formam no universo.”

A Desaparecimento de M31-2014-DS1 na Andrômeda

A estrela, conhecida como M31-2014-DS1, estava localizada a cerca de 2,5 milhões de anos-luz de distância na Galáxia de Andrômeda. De e colegas examinaram dados coletados entre 2005 e 2023 da missão NEOWISE da NASA, junto com outros telescópios terrestres e espaciais. Eles descobriram que a estrela começou a brilhar intensamente em luz infravermelha em 2014. Então, em 2016, seu brilho caiu drasticamente em menos de um ano.

Em 2022 e 2023, a estrela havia quase desaparecido nas comprimentos de onda visíveis e próximos do infravermelho, apagando-se para apenas um ten-thousandth de seu brilho anterior nessas faixas. O que resta agora só pode ser detectado em luz mid-infravermelha, onde brilha aproximadamente um décimo de sua intensidade original.

De diz, “Esta estrela costumava ser uma das estrelas mais luminosas da Galáxia de Andrômeda, e agora não estava em lugar nenhum. Imagine se a estrela Betelgeuse desaparecesse repentinamente. Todo mundo ficaria louco! O mesmo tipo de coisa [estava] acontecendo com esta estrela na Galáxia de Andrômeda.”

Quando a equipe comparou as observações com predições teóricas, concluíram que tal queda extrema no brilho indica fortemente que o núcleo da estrela colapsou e formou um buraco negro.

Por que Algumas Estrelas Massivas Falham em Explodir

Estrelas brilham porque a fusão nuclear em seus núcleos converte hidrogênio em hélio, criando uma pressão para fora que contrabalança a gravidade. Em estrelas com pelo menos 10 vezes a massa do nosso sol, esse equilíbrio eventualmente se quebra quando o combustível nuclear se esgota. A gravidade então sobrepuja a pressão para fora, fazendo com que o núcleo colapse e forme uma densa estrela de nêutrons.

Em muitos casos, uma inundação de neutrinos liberados durante esse colapso gera uma poderosa onda de choque que despedaça a estrela em uma supernova. Mas se essa onda de choque for fraca demais para expulsar o material ao redor, grande parte da estrela pode cair de volta para dentro. Modelos teóricos sugeriram há muito tempo que essa queda pode transformar a estrela de nêutrons em um buraco negro.

“Sabemos há quase 50 anos que os buracos negros existem”, diz De, “mas mal estamos arranhando a superfície de entender quais estrelas se transformam em buracos negros e como isso acontece.”

O Papel Fundamental da Convecção

O estudo detalhado de M31-2014-DS1 também ajudou os pesquisadores a revisitar um objeto semelhante, NGC 6946-BH1, que havia sido identificado uma década antes. Reanalisando ambos os casos, revelou-se um ingrediente crucial que faltava para entender o que acontece com as camadas externas de uma estrela após uma supernova falhada. A resposta está na convecção.

A convecção surge de grandes diferenças de temperatura dentro de uma estrela. O núcleo é extremamente quente, enquanto as camadas externas são muito mais frias. Esse contraste faz com que o gás circule entre regiões mais quentes e mais frias.

Quando o núcleo colapsa, o gás externo ainda está em movimento devido a esse processo de agitação. De acordo com modelos desenvolvidos no Instituto Flatiron, esse movimento impede que a maior parte do material externo mergulhe diretamente no buraco negro. Em vez disso, algumas camadas internas circulam ao redor do buraco negro, enquanto as camadas mais externas são empurradas para fora.

À medida que o material expelido viaja para longe, ele esfria. Em temperaturas mais baixas, átomos e moléculas se combinam para formar poeira. Essa poeira bloqueia a luz do gás mais quente próximo ao buraco negro, absorve energia e a reemite em comprimentos de onda infravermelhos. O resultado é um brilho avermelhado que pode durar décadas após a estrela original ter desaparecido.

A coautora e pesquisadora do Flatiron, Andrea Antoni, desenvolveu a estrutura teórica por trás desses modelos de convecção. Baseando-se nas novas observações, ela afirma: “a taxa de acreção — a taxa de material caindo — é muito mais lenta do que se a estrela tivesse implodido diretamente. Esse material convectivo tem momento angular, então ele se circulariza ao redor do buraco negro. Em vez de levar meses ou um ano para cair, está levando décadas. E por causa de tudo isso, ele se torna uma fonte mais brilhante do que seria de outra forma, e observamos um longo atraso no desvanecimento da estrela original.”

Assim como água girando em um ralo em vez de cair diretamente, o gás continua orbitando o buraco negro recém-formado à medida que a gravidade gradualmente o puxa para dentro. Essa queda atrasada significa que a estrela inteira não colapsa de uma vez. Mesmo depois que o núcleo cede rapidamente, algum material cai de volta lentamente ao longo de várias décadas.

Os pesquisadores estimam que apenas cerca de um por cento do envelope externo original da estrela acaba alimentando o buraco negro, produzindo a luz fraca ainda observada hoje.

Construindo um Quadro Maior da Formação de Buracos Negros

Ao analisarem M31-2014-DS1, a equipe também reexaminou NGC 6946-BH1. O novo estudo fornece evidências fortes de que ambas as estrelas seguiram um caminho semelhante. O que parecia inicialmente um caso incomum agora parece ser parte de uma categoria mais ampla de supernovas falhadas que produzem buracos negros silenciosamente.

M31-2014-DS1 inicialmente se destacava como um “esquisito”, diz De, mas agora parece ser um dos vários exemplos, incluindo NGC 6946-BH1.

“É apenas com essas joias individuais de descoberta que começamos a montar um quadro como este”, diz De.