Astrônomos observaram diretamente uma enorme estrela moribunda pular uma explosão de supernova e, em vez disso, colapsar em um buraco negro. Este evento fornece o conjunto mais detalhado de observações já reunido de uma estrela fazendo essa transição, oferecendo aos pesquisadores uma visão incomum de como os buracos negros estelares se formam.
Ao combinar dados recentes de telescópios com mais de uma década de observações arquivadas, os cientistas puderam testar e aperfeiçoar teorias de longa data sobre como as estrelas mais massivas encerram suas vidas. Em vez de explodir para fora em uma brilhante supernova, o núcleo desta estrela cedeu à gravidade e formou um buraco negro. Nesse processo, suas camadas externas instáveis foram gradualmente empurradas para fora.
As descobertas, publicadas 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 de forma silenciosa.
“Isso é apenas o começo da história”, diz Kishalay De, pesquisador associado do Instituto Flatiron da Fundação Simons e autor principal do novo estudo. A luz dos detritos empoeirados ao redor do buraco negro recém-formado, ele diz, “será visível por décadas no nível de sensibilidade de telescópios como o Telescópio Espacial James Webb, porque continuará a desaparecer muito lentamente. E isso pode acabar se tornando um marco para entender como os buracos negros estelares se formam no universo.”
A 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 coletados entre 2005 e 2023 pela missão NEOWISE da NASA, juntamente com outros telescópios terrestres e espaciais. Descobriram que a estrela começou a brilhar em luz infravermelha em 2014. Então, em 2016, seu brilho caiu abruptamente em menos de um ano.
Em 2022 e 2023, a estrela quase havia desaparecido em comprimentos de onda visíveis e quase infravermelhos, reduzindo a apenas um dez milésimo de seu brilho anterior nessas faixas. O que resta agora só pode ser detectado em luz infravermelha média, onde brilha com cerca de um décimo de sua intensidade original.
De diz: “Essa estrela costumava ser uma das estrelas mais luminosas da Galáxia de Andrômeda, e agora não estava mais visível. Imagine se a estrela Betelgeuse desaparecesse de repente. Todos ficariam loucos! O mesmo tipo de coisa [estava] acontecendo com essa estrela na Galáxia de Andrômeda.”
Quando a equipe comparou as observações com previsões teóricas, concluiu que tal queda extrema de brilho indica fortemente que o núcleo da estrela colapsou e formou um buraco negro.
Por que Algumas Estrelas Massivas Não Explodem
As 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 rompe quando o combustível nuclear se esgota. A gravidade então sobrepõe a pressão para fora, causando o colapso do núcleo e formando uma densa estrela de nêutrons.
Em muitos casos, uma enxurrada 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 muito fraca para expulsar o material ao redor, grande parte da estrela pode cair de volta para dentro. Modelos teóricos há muito sugerem 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 estamos apenas começando a 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 revisar um objeto semelhante, NGC 6946-BH1, que havia sido identificado uma década antes. Reanalisar ambos os casos revelou um ingrediente crucial que estava faltando 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. Este 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 fazem órbita ao redor do buraco negro, enquanto as camadas externas mais distantes 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 persistente que pode durar décadas após a estrela original ter desaparecido.
A co-autora e pesquisadora do Flatiron, Andrea Antoni, desenvolveu a estrutura teórica por trás desses modelos de convecção. Com base nas novas observações, ela diz: “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, torna-se uma fonte mais brilhante do que seria de outra forma, e observamos um longo atraso no escurecimento da estrela original.”
Assim como a água espiralando pelo ralo em vez de cair diretamente, o gás continua orbitando o recém-formado buraco negro à medida que a gravidade gradualmente o puxa para dentro. Essa queda atrasada significa que a estrela não colapsa toda de uma vez. Mesmo após o núcleo ceder 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 tênue ainda observada hoje.
Construindo uma Imagem Maior da Formação de Buracos Negros
Enquanto analisavam M31-2014-DS1, a equipe também reexaminou NGC 6946-BH1. O novo estudo fornece evidências sólidas de que ambas as estrelas seguiram um caminho semelhante. O que a princípio parecia um caso incomum agora parece fazer parte de uma categoria mais ampla de supernovas falhadas que produzem buracos negros discretamente.
M31-2014-DS1 inicialmente se destacou como uma “análise estranha”, diz De, mas agora parece ser um de vários exemplos, incluindo NGC 6946-BH1.
“É apenas com essas joias individuais de descoberta que começamos a montar um quadro como este”, diz De.