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Isto é o que parece quando um buraco negro aperta uma estrela
Este buraco negro é de um tipo específico - um buraco negro de massa intermediária - que há muito tempo escapou à observação.
Por Daniel Stolte - 17/09/2021


Esta ilustração mostra um fluxo brilhante de material de uma estrela, despedaçado enquanto era devorado por um buraco negro supermassivo. O buraco negro que se alimenta é cercado por um anel de poeira, assim como o prato de uma criança é cercado por migalhas após uma refeição. Crédito: NASA / JPL-Caltech

Embora os buracos negros e as crianças pequenas não pareçam ter muito em comum, eles são notavelmente semelhantes em um aspecto: ambos comem bagunça, gerando ampla evidência de que uma refeição aconteceu.

Mas enquanto um pode deixar para trás excrementos de massa ou respingos de iogurte, o outro cria um rescaldo de proporções alucinantes. Quando um buraco negro engole uma estrela, ele produz o que os astrônomos chamam de "evento de interrupção da maré". A destruição da infeliz estrela é acompanhada por uma explosão de radiação que pode ofuscar a luz combinada de todas as estrelas na galáxia hospedeira do buraco negro por meses, até anos.

Em um artigo publicado no The Astrophysical Journal , uma equipe de astrônomos liderada por Sixiang Wen, um pós-doutorado associado do Observatório Steward da Universidade do Arizona, usa os raios-X emitidos por um evento de interrupção de maré conhecido como J2150 para fazer as primeiras medições de massa e rotação do buraco negro. Este buraco negro é de um tipo específico - um buraco negro de massa intermediária - que há muito tempo escapou à observação.

"O fato de que fomos capazes de capturar este buraco negro enquanto ele estava devorando uma estrela oferece uma oportunidade notável de observar o que de outra forma seria invisível", disse Ann Zabludoff, professora de astronomia do UArizona e coautora do artigo. "Além disso, ao analisar a erupção fomos capazes de entender melhor essa categoria indescritível de buracos negros, que pode muito bem ser responsável pela maioria dos buracos negros no centro das galáxias."

Ao reanalisar os dados de raios-X usados ​​para observar o flare J2150 e compará-lo com modelos teóricos sofisticados, os autores mostraram que esse flare realmente se originou de um encontro entre uma estrela azarada e um buraco negro de massa intermediária. O buraco negro intermediário em questão tem massa particularmente baixa - isto é, para um buraco negro - pesando cerca de 10.000 vezes a massa do sol.

"As emissões de raios-X do disco interno formado pelos fragmentos da estrela morta possibilitaram inferir a massa e o giro desse buraco negro e classificá-lo como um buraco negro intermediário", disse Wen.

Dezenas de eventos de interrupção das marés foram vistos nos centros de grandes galáxias hospedando buracos negros supermassivos, e um punhado também foi observado nos centros de pequenas galáxias que podem conter buracos negros intermediários. No entanto, os dados anteriores nunca foram detalhados o suficiente para provar que um flare de interrupção de maré individual foi alimentado por um buraco negro intermediário.
 
"Graças às observações astronômicas modernas, sabemos que os centros de quase todas as galáxias que são semelhantes ou maiores em tamanho do que a nossa Via Láctea hospedam buracos negros supermassivos centrais", disse o coautor do estudo Nicholas Stone, professor sênior da Universidade Hebraica em Jerusalém. "Esses gigantes variam em tamanho de 1 milhão a 10 bilhões de vezes a massa do nosso sol, e eles se tornam fontes poderosas de radiação eletromagnética quando muito gás interestelar cai em sua vizinhança."

A massa desses buracos negros se correlaciona intimamente com a massa total de suas galáxias hospedeiras; as maiores galáxias hospedam os maiores buracos negros supermassivos.

"Ainda sabemos muito pouco sobre a existência de buracos negros no centro de galáxias menores do que a Via Láctea", disse o coautor Peter Jonker, da Radboud University e do SRON Netherlands Institute for Space Research, ambos na Holanda. "Devido às limitações de observação, é um desafio descobrir buracos negros centrais muito menores do que 1 milhão de massas solares."

Quando uma estrela se aventura muito perto de um buraco negro, as forças gravitacionais
criam marés intensas que dividem a estrela em um fluxo de gás, resultando em um
fenômeno cataclísmico conhecido como evento de interrupção das marés. Enormes
quantidades de energia são liberadas, causando uma interrupção da maré que
ofusca sua galáxia em alguns casos. Crédito: Goddard Space
Flight Center da NASA / Chris Smith (USRA / GESTAR)

Apesar de sua suposta abundância, as origens dos buracos negros supermassivos permanecem desconhecidas, e muitas teorias diferentes atualmente competem para explicá-las, de acordo com Jonker. Os buracos negros de massa intermediária podem ser as sementes das quais os buracos negros supermassivos crescem.

"Portanto, se tivermos um melhor controle de quantos buracos negros intermediários de boa fé existem, isso pode ajudar a determinar quais teorias de formação de buracos negros supermassivos estão corretas", disse ele.

Ainda mais emocionante, de acordo com Zabludoff, é a medição do spin do J2150 que o grupo conseguiu obter. A medição do spin contém pistas de como os buracos negros crescem e, possivelmente, da física das partículas.

Este buraco negro tem um giro rápido, mas não o mais rápido possível, Zabludoff explicou, levantando a questão de como o buraco negro termina com um giro nesta faixa.

"É possível que o buraco negro se formou dessa forma e não mudou muito desde então, ou que dois buracos negros de massa intermediária se fundiram recentemente para formar este", disse ela. "Nós sabemos que o spin que medimos exclui cenários onde o buraco negro cresce ao longo de um longo tempo devido à ingestão constante de gás ou de muitos lanches rápidos de gás que chegam de direções aleatórias."

Além disso, a medição do spin permite que os astrofísicos testem hipóteses sobre a natureza da matéria escura, que se acredita ser a maior parte da matéria do universo. A matéria escura pode consistir em partículas elementares desconhecidas ainda não vistas em experimentos de laboratório. Entre os candidatos estão partículas hipotéticas conhecidas como bósons ultraleves, explicou Stone.

"Se essas partículas existem e têm massas em um determinado intervalo, elas impedirão que um buraco negro de massa intermediária tenha um giro rápido", disse ele. "Ainda assim, o buraco negro do J2150 está girando rápido. Portanto, nossa medição de spin exclui uma ampla classe de teorias de bóson ultraleves, mostrando o valor dos buracos negros como laboratórios extraterrestres para a física de partículas."

No futuro, novas observações de erupções de interrupção de marés podem permitir que os astrônomos preencham as lacunas na distribuição de massa dos buracos negros, esperam os autores.

"Se descobrirmos que a maioria das galáxias anãs contém buracos negros de massa intermediária , então elas irão dominar a taxa de interrupção das marés estelares", disse Stone. "Ajustando a emissão de raios-X dessas chamas a modelos teóricos , podemos realizar um censo da população de buracos negros de massa intermediária no universo", acrescentou Wen.

Para fazer isso, no entanto, mais eventos de interrupção da maré devem ser observados. É por isso que os astrônomos têm grandes esperanças de novos telescópios online em breve, tanto na Terra quanto no espaço, incluindo o Observatório Vera C. Rubin, também conhecido como o Legacy Survey of Space and Time, ou LSST, que deve descobrir milhares de marés eventos de interrupção por ano.

 

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