Explosão de buraco negro supera 10 trilhões de sóis

Esse cenário explica melhor as descobertas de um novo Astronomia da Natureza estudo que descreve a explosão de energia mais poderosa e distante já vista em um buraco negro supermassivo. O objeto foi detectado pela primeira vez em 2018 pelo Zwicky Transient Facility (ZTF), uma pesquisa do céu financiada pela US National Science Foundation (NSF) e operada no Observatório Palomar da Caltech. Também foi rastreado pelo Catalina Real-Time Transient Survey, outro projeto Caltech financiado pela NSF. A erupção aumentou dramaticamente – por um factor de 40 em poucos meses – e no seu pico foi 30 vezes mais luminosa do que qualquer erupção de buraco negro observada anteriormente. Na intensidade máxima, brilhou com a luz de 10 trilhões de sóis.

Um vislumbre do universo primitivo

O buraco negro responsável é um núcleo galáctico ativo (AGN), um tipo de buraco negro que se alimenta ativamente da matéria circundante. Conhecido como J2245+3743, estima-se que este AGN tenha uma massa 500 milhões de vezes maior que a do Sol e esteja a cerca de 10 mil milhões de anos-luz da Terra. Como a luz leva tempo para viajar através de distâncias tão vastas, os astrónomos estão a observar este evento tal como ocorreu quando o Universo ainda era jovem.

“A energia mostra que este objeto está muito distante e é muito brilhante”, diz o principal autor do estudo, Matthew Graham, professor pesquisador de astronomia na Caltech e cientista do projeto da ZTF. “Isso é diferente de qualquer AGN que já vimos.”

Embora o brilho esteja gradualmente desaparecendo, os astrônomos continuam a observá-lo. O próprio tempo passa de maneira diferente nessas distâncias – um fenômeno conhecido como dilatação do tempo cosmológico. Como explica Graham: “À medida que a luz viaja através do espaço em expansão para chegar até nós, o seu comprimento de onda aumenta, tal como o próprio tempo”. Por causa disso, pesquisas do céu de longo prazo, como ZTF e Catalina, são cruciais. “Sete anos aqui são dois anos ali. Estamos assistindo o evento se desenrolar a um quarto da velocidade”, acrescenta.

A estrela que foi dilacerada

Para descobrir o que poderia ter causado esta explosão extraordinária, os investigadores testaram várias possibilidades e determinaram que a causa mais provável foi um evento de perturbação de marés (TDE). Um TDE acontece quando uma estrela se aproxima demasiado de um buraco negro supermassivo e é dilacerada pela sua imensa gravidade. O material da estrela é gradualmente absorvido e consumido. Como a explosão de J2245+3743 ainda é visível, os astrónomos acreditam que o buraco negro está a meio da refeição, “como um peixe a meio caminho da garganta da baleia”, diz Graham.

Se esta explicação estiver correta, a estrela condenada tinha pelo menos 30 vezes a massa do Sol. O recordista anterior do maior TDE conhecido – um evento apelidado de Scary Barbie – era cerca de 30 vezes mais fraco e envolvia uma estrela com apenas três a dez vezes a massa do Sol.

Um evento raro dentro de um disco de buraco negro em alimentação

A maioria dos cerca de 100 TDEs conhecidos não ocorreram em sistemas AGN, que já estão rodeados por discos densos e rodopiantes de material que alimentam o buraco negro central. Esses ambientes claros geralmente escondem outros eventos, dificultando a detecção dos TDEs. No entanto, o brilho absoluto do J2245+3743 fez com que ele se destacasse claramente.

Inicialmente, os astrônomos não viram nada de incomum. Quando o objeto foi identificado pela primeira vez em 2018, os espectros obtidos com o Telescópio Hale de 200 polegadas no Observatório Palomar não mostraram características especiais. Mas em 2023, a crise estava a desaparecer mais lentamente do que o esperado. Um espectro de acompanhamento do Observatório WM Keck no Havaí revelou a extrema luminosidade do AGN.

Confirmando o clarão mais brilhante já registrado

“No início, era importante estabelecer que este objeto extremo era realmente tão brilhante”, diz o co-autor KE Saavik Ford do Centro de Pós-Graduação da City University of New York (CUNY), do Borough of Manhattan Community College e do American Museum of Natural History (AMNH). Ford explica que uma alternativa era que a luz do clarão fosse irradiada diretamente para a Terra, mas os dados da antiga missão Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) da NASA descartaram essa possibilidade. Com outras possibilidades eliminadas, a equipe concluiu que J2245+3743 representa a erupção de buraco negro mais brilhante já observada.

“Se convertermos todo o nosso Sol em energia, usando a famosa fórmula E = mc2 de Albert Einstein, essa é a quantidade de energia que tem sido emitida por esta explosão desde que começámos a observá-la”, observa Ford.

A destruição de uma estrela incomparável com supernovas

Depois de verificar a intensidade recorde da explosão, os pesquisadores exploraram sua origem. “As supernovas não são suficientemente brilhantes para explicar isto”, diz Ford. A explicação mais consistente é um buraco negro supermassivo destruindo lentamente uma estrela colossal.

“Estrelas com esta massa são raras,” continua Ford, “mas pensamos que as estrelas dentro do disco de um AGN podem crescer. A matéria do disco é despejada nas estrelas, fazendo-as crescer em massa.”

Procurando por mais gigantes cósmicos

A descoberta de um buraco negro devorando uma estrela tão massiva sugere que eventos semelhantes podem estar acontecendo em outras partes do universo. A equipe de pesquisa planeja pesquisar mais dados da ZTF para localizar outros exemplos, e observatórios futuros, como a NSF e o Observatório Vera C. Rubin do Departamento de Energia, também poderão descobrir grandes TDEs adicionais.

“Nunca teríamos encontrado este evento raro se não fosse pela ZTF”, diz Graham. “Há sete anos que observamos o céu com a ZTF, por isso, quando vemos algo brilhar ou mudar, podemos ver o que fez no passado e como irá evoluir.”

A equipe por trás da descoberta

O estudo, intitulado “Uma explosão extremamente luminosa registrada de um buraco negro supermassivo”, foi apoiado pela NSF, pela Fundação Simons, pela NASA e pela Fundação Alemã de Pesquisa. Os coautores incluem os pesquisadores da Caltech Andrew Drake, Yuanze Ding (MS ’25), Mansi Kasliwal (PhD ’11), Sam Rose, Jean Somalwar (agora pós-doutorado na UC Berkeley), George Djorgovski, Shri Kulkarni e Ashish Mahabal; Tracy Chen e Steven Groom, do centro de astronomia IPAC da Caltech; e Daniel Stern do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (gerenciado pela Caltech). Contribuintes adicionais incluem Barry McKernan (CUNY Graduate Center, Borough of Manhattan Community College e AMNH); Matteo Cantiello (Instituto Flatiron e Universidade de Princeton); Mike Koss (Eureka Scientific); Raffaella Margutti (UC Berkeley); Phil Wiseman (Universidade de Southampton, Reino Unido); Patrik Veres (Universidade do Ruhr, Alemanha); e Eric Bellm (Universidade de Washington).

O ZTF da Caltech é financiado pela NSF e parceiros internacionais, com apoio adicional da Fundação Heising-Simons e da Caltech. Os dados são processados ​​e arquivados pelo IPAC da Caltech, e a NASA financia a busca da ZTF por objetos próximos à Terra por meio de seu programa Near-Earth Object Observations.