17/01/2023 - 9:51
A centenas de milhões de anos-luz de distância em uma galáxia distante, uma estrela orbitando um buraco negro supermassivo está sendo violentamente dilacerada sob a imensa atração gravitacional do buraco negro. À medida que a estrela é fragmentada, seus restos são transformados em um fluxo de detritos que chove de volta ao buraco negro para formar um disco de material muito quente e brilhante girando em torno do buraco negro, chamado de disco de acreção. Esse fenômeno – em que uma estrela é destruída por um buraco negro supermassivo e alimenta uma explosão de acreção luminosa – é conhecido como evento de perturbação de marés (TDE, na sigla em inglês), e prevê-se que TDEs ocorram aproximadamente uma vez a cada 10 mil a 100 mil anos em uma determinada galáxia.
- Buraco negro faminto deixa estrela capturada em forma de rosquinha
- Astrofísicos caçam 2º buraco negro supermassivo mais próximo da Terra
- Buraco negro supermassivo influencia formação de estrelas
Com luminosidades excedendo galáxias inteiras (ou seja, bilhões de vezes mais brilhantes que o nosso Sol) por breves períodos de tempo (meses a anos), os eventos de acreção permitem que os astrofísicos estudem buracos negros supermassivos a partir de distâncias cosmológicas, fornecendo uma janela para as regiões centrais de galáxias tranquilas ou dormentes. Quando se investigam esses eventos de gravidade forte, em que a teoria geral da relatividade de Einstein é crítica para determinar como a matéria se comporta, os TDEs fornecem informações sobre um dos ambientes mais extremos do universo: o horizonte de eventos – o ponto sem retorno – de um buraco negro.
Os TDEs são geralmente “uma vez e acabou” porque o campo gravitacional extremo do buraco negro supermassivo destrói a estrela, o que significa que esse buraco negro desaparece na escuridão após o surto de acreção. Em alguns casos, no entanto, o núcleo de alta densidade da estrela pode sobreviver à interação gravitacional com o buraco negro supermassivo, permitindo que ele orbite o buraco negro mais de uma vez. Os pesquisadores chamam isso de TDE parcial repetitivo.
Modelo detalhado
Uma equipe de físicos, incluindo o autor principal Thomas Wevers, membro do Observatório Europeu do Sul (ESO), e os coautores Eric Coughlin, professor assistente de física na Universidade de Syracuse (EUA), e Dheeraj R. “DJ” Pasham, cientista pesquisador do Instituto Kavli de Astrofísica do MIT e Space Research (EUA), propuseram um modelo para um TDE parcial repetitivo. Suas descobertas, publicadas na revista The Astrophysical Journal Letters, descrevem a captura da estrela por um buraco negro supermassivo, a remoção do material cada vez que a estrela se aproxima do buraco negro e o atraso entre o momento em que o material é removido e o momento em que alimenta o buraco negro novamente. O trabalho da equipe é o primeiro a desenvolver e usar um modelo detalhado de um TDE parcial repetitivo para explicar as observações, fazer previsões sobre as propriedades orbitais de uma estrela em uma galáxia distante e entender o processo de perturbação parcial das marés.
A equipe está estudando um TDE conhecido como AT2018fyk. A estrela foi capturada por um buraco negro supermassivo por meio de um processo de troca conhecido como “captura de Hills”, em que a estrela era originariamente parte de um sistema binário (duas estrelas que orbitam uma à outra sob sua atração gravitacional mútua) que foi dilacerado pelo campo gravitacional do buraco negro. A outra estrela (não capturada) foi ejetada do centro da galáxia a velocidades comparáveis a cerca de 1.000 km/s, o que é conhecido como estrela de hipervelocidade.
Visão sem precedentes
Uma vez ligada ao buraco negro supermassivo, a estrela que alimenta a emissão do AT2018fyk foi repetidamente despojada de seu envelope externo cada vez que passou por seu ponto de maior aproximação com o buraco negro. As camadas externas despojadas da estrela formam o brilhante disco de acreção, que os pesquisadores podem estudar usando telescópios de raios X e ultravioleta/ópticos que observam a luz de galáxias distantes.
De acordo com Wevers, ter a oportunidade de estudar um TDE parcial dá uma visão sem precedentes sobre a existência de buracos negros supermassivos e a dinâmica orbital das estrelas nos centros das galáxias.
“Até agora, a suposição era que, quando vemos as consequências de um encontro próximo entre uma estrela e um buraco negro supermassivo, o resultado será fatal para a estrela, ou seja, a estrela será completamente destruída”, disse ele. “Mas, ao contrário de todos os outros TDEs que conhecemos, quando apontamos nossos telescópios para o mesmo local novamente vários anos depois, descobrimos que ele havia voltado a brilhar novamente. Isso nos levou a propor que, em vez de ser fatal, parte da estrela sobreviveu ao encontro inicial e voltou ao mesmo local para ser despojada de material mais uma vez, explicando a fase de rebrilho.”
Vivendo para morrer outro dia
Detectado pela primeira vez em 2018, o AT2018fyk foi inicialmente percebido como um TDE comum. Por aproximadamente 600 dias, a fonte permaneceu brilhante no raio X, mas então escureceu abruptamente e ficou indetectável – resultado do retorno do núcleo estelar remanescente a um buraco negro, explicou o físico do MIT Dheeraj R. Pasham.
“Quando o núcleo retorna ao buraco negro, ele basicamente rouba todo o gás do buraco negro por meio da gravidade e, como resultado, não há matéria para acumular e, portanto, o sistema fica escuro”, afirmou Pasham.
Não ficou imediatamente claro o que causou o declínio vertiginoso na luminosidade do AT2018fyk, porque os TDEs normalmente decaem suave e gradualmente – não abruptamente – em sua emissão. Mas cerca de 600 dias após a queda, descobriu-se novamente que a fonte era brilhante em raios X. Isso levou os pesquisadores a propor que a estrela sobreviveu ao seu encontro próximo com o buraco negro supermassivo pela primeira vez e estava em órbita ao redor desse objeto.
As descobertas da equipe a partir de modelagem detalhada sugerem que o período orbital da estrela em torno do buraco negro é de aproximadamente 1.200 dias, e leva aproximadamente 600 dias para o material que é derramado da estrela retornar ao buraco negro e começar a acumular. O modelo deles também limitou o tamanho da estrela capturada, que eles acreditam ter o tamanho do Sol. Quanto ao sistema binário original, a equipe acredita que as duas estrelas estavam extremamente próximas uma da outra antes de serem separadas pelo buraco negro, provavelmente orbitando uma à outra a cada poucos dias.
Então, como uma estrela poderia sobreviver ao seu encontro com a morte? Tudo se resume a uma questão de proximidade e trajetória. Se a estrela colidisse de frente com o buraco negro e ultrapassasse o horizonte de eventos – o limite onde a velocidade necessária para escapar do buraco negro supera a velocidade da luz –, a estrela seria consumida pelo buraco negro. Se a estrela passasse muito perto do buraco negro e cruzasse o chamado “raio de maré” – quando a força de maré do buraco é mais forte do que a força gravitacional que mantém a estrela unida –, ela seria destruída. No modelo que eles propuseram, a órbita da estrela atinge um ponto de maior aproximação que está fora do raio de maré, mas não o atravessa completamente: parte do material na superfície estelar é arrancado pelo buraco negro, mas o o material em seu centro permanece intacto.
Desempenho repetido?
Como, ou se, o processo da estrela que orbita o buraco negro supermassivo pode ocorrer em muitas passagens repetidas é uma questão teórica que a equipe planeja investigar com simulações futuras. Eric Coughlin explicou que eles estimam que entre 1% e 10% da massa da estrela é perdida cada vez que ela passa pelo buraco negro, com o grande alcance devido à incerteza na modelagem da emissão do TDE.
“Se a perda de massa for apenas no nível de 1%, esperamos que a estrela sobreviva por muito mais encontros, enquanto que se for mais próxima de 10%, a estrela pode já ter sido destruída”, observou Coughlin.
A equipe manterá os olhos no céu nos próximos anos para testar suas previsões. Com base em seu modelo, eles preveem que a fonte desaparecerá abruptamente por volta de março de 2023 e brilhará novamente quando o material recém-despojado se acumular no buraco negro em 2025.
Segundo os pesquisadores, seu estudo oferece um novo caminho para rastrear e monitorar fontes de acompanhamento que foram detectadas no passado. O trabalho também sugere um novo paradigma para a origem de explosões repetidas dos centros das galáxias externas.
Previsões testáveis
“No futuro, é provável que mais sistemas sejam verificados quanto a erupções tardias, especialmente agora que este projeto apresenta uma imagem teórica da captura da estrela por meio de um processo de troca dinâmica e a consequente perturbação repetida das marés parciais”, disse Coughlin. “Esperamos que esse modelo possa ser usado para inferir as propriedades de buracos negros supermassivos distantes e obter uma compreensão de sua ‘demografia’, estando o número de buracos negros dentro de uma determinada faixa de massa, que de outra forma é difícil de alcançar diretamente.”
A equipe diz que o modelo também faz várias previsões testáveis sobre o processo de perturbação de marés e, com mais observações de sistemas como o AT2018fyk, deve fornecer informações sobre a física de eventos parciais de perturbação de marés e os ambientes extremos em torno de buracos negros supermassivos.
“Este estudo descreve a metodologia para prever potencialmente os próximos lanches de buracos negros supermassivos em galáxias externas”, disse Pasham. “Se você pensar sobre isso, é bastante notável que nós na Terra possamos alinhar nossos telescópios a buracos negros a milhões de anos-luz de distância para entender como eles se alimentam e crescem.”
