Astrônomos observam uma estrela massiva colapsar em um buraco negro sem supernova

Ao combinar dados recentes 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 desta estrela cedeu sob a gravidade e formou um buraco negro. No processo, suas camadas externas instáveis ​​foram gradualmente empurradas para fora.

As descobertas, publicadas em 12 de fevereiro em Ciênciaestão 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 das suas vidas, enquanto outras entram em colapso silenciosamente.

“Este é apenas o começo da história”, diz Kishalay De, pesquisador associado do Flatiron Institute da Fundação Simons e autor principal do novo estudo. A luz dos detritos poeirentos que rodeiam o buraco negro recém-nascido, diz ele, “vai ser visível durante décadas ao nível de sensibilidade de telescópios como o Telescópio Espacial James Webb, porque vai continuar a desaparecer muito lentamente. E isto pode acabar por 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 localizada a cerca de 2,5 milhões de anos-luz de distância, na Galáxia de Andrômeda. De e colegas examinaram dados recolhidos entre 2005 e 2023 pela missão NEOWISE da NASA juntamente com outros telescópios terrestres e espaciais. Eles 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 quase desapareceu nos comprimentos de onda do visível e do infravermelho próximo, diminuindo para apenas um décimo de milésimo do seu brilho anterior nessas bandas. 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 luminosas da Galáxia de Andrômeda, e agora não estava em lugar nenhum. Imagine se a estrela Betelgeuse desaparecesse repentinamente. Todo mundo perderia a cabeça! O mesmo tipo de 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 indica fortemente que o núcleo da estrela entrou em colapso e formou um buraco negro.

Por que algumas estrelas enormes não conseguem explodir

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 10 vezes mais massivas que o nosso Sol, este equilíbrio acaba por se desintegrar 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, uma inundação de neutrinos libertados durante este colapso gera uma poderosa onda de choque que despedaça a estrela numa supernova. Mas se essa onda de choque for demasiado fraca para ejetar o material circundante, grande parte da estrela pode cair para dentro. Os modelos teóricos há muito sugerem que esta alternativa pode transformar a estrela de neutrões num buraco negro.

“Sabemos há quase 50 anos que existem buracos negros”, diz De, “mas mal estamos a arranhar a superfície da compreensão de quais estrelas se transformam em buracos negros e como o fazem”.

O papel principal da convecção

O estudo detalhado de M31-2014-DS1 também ajudou os investigadores a revisitar um objeto semelhante, NGC 6946-BH1, que tinha sido identificado uma década antes. A reanálise de ambos os casos revelou um ingrediente crucial que faltava na compreensão do que acontece às camadas exteriores 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 está 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 entra em colapso, o gás externo ainda está em movimento devido a esse processo de agitação. De acordo com modelos desenvolvidos no Flatiron Institute, esse movimento impede que a maior parte do material exterior mergulhe directamente 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 se afasta, ele esfria. Em temperaturas mais baixas, átomos e moléculas se combinam para formar poeira. Essa poeira bloqueia a luz do gás mais quente próximo do buraco negro, absorve energia e a reemite em comprimentos de onda infravermelhos. O resultado é um brilho avermelhado persistente que pode durar décadas após o desaparecimento da estrela original.

A coautora e pesquisadora da Flatiron, Andrea Antoni, desenvolveu a estrutura teórica por trás desses modelos de convecção. Com base nas novas observações, diz ela, “a taxa de acreção – a taxa de queda de material – é muito mais lenta do que se a estrela implodisse diretamente. Este material convectivo tem momento angular, por isso circulariza em torno do buraco negro. Em vez de levar meses ou um ano a cair, está a levar décadas. E por causa de tudo isto, torna-se uma fonte mais brilhante do que seria de outra forma, e observamos um longo atraso no escurecimento da estrela original.”

Muito parecido com a água que desce em espiral por um ralo em vez de cair direto, o gás continua orbitando o buraco negro recém-formado à medida que a gravidade o puxa gradualmente para dentro. Este atraso na queda significa que a estrela inteira não entra em colapso de uma só vez. Mesmo depois que o núcleo cede rapidamente, algum material recua lentamente ao longo de muitas décadas.

Os investigadores estimam que apenas cerca de um por cento do envelope exterior original da estrela alimenta o buraco negro, produzindo a luz fraca ainda observada hoje.

Construindo um panorama mais amplo 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 silenciosamente produzem buracos negros.

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

“É apenas com estas jóias individuais de descoberta que começamos a montar uma imagem como esta”, diz De.