Buracos negros: o misterioso nascimento de um pode enfim ter sido visto

Observações de explosão de um tipo específico de estrela apresentaram aos cientistas pistas de que não se tratava de uma simples explosão de supernova

Imagem de uma estrela Wolf Rayet – potencialmente antes de colapsar num buraco negro. Crédito: ESO/L. Calçada, CC BY-SA

Os astrônomos estão cada vez mais abrindo as cortinas dos buracos negros. Nos últimos anos, finalmente capturamos fotos reais dessas criaturas temíveis e medimos as ondas gravitacionais – ondulações no espaço-tempo – que elas criam ao colidir. Mas ainda existe muito que não sabemos sobre buracos negros. Um dos maiores enigmas é exatamente como eles se formam em primeiro lugar.

Meus colegas e eu agora acreditamos que observamos esse processo, fornecendo algumas das melhores indicações até agora do que exatamente acontece quando um buraco negro se forma. Nossos resultados são publicados em dois artigos na Nature e no Astrophysical Journal.

Os astrônomos acreditam, tanto em bases observacionais quanto teóricas, que a maioria dos buracos negros se forma quando o centro de uma estrela massiva colapsa no final de sua vida. O núcleo da estrela normalmente fornece pressão, ou suporte, usando calor de reações nucleares intensas. Mas uma vez que o combustível de uma estrela se esgota e as reações nucleares param, as camadas internas da estrela colapsam para dentro sob a gravidade, esmagando-se em densidades extraordinárias.

Na maioria das vezes, esse colapso catastrófico é interrompido quando o núcleo da estrela se condensa em uma esfera sólida de matéria, rica em partículas chamadas nêutrons. Isso leva a uma poderosa explosão de rebote que destrói a estrela (uma supernova) e deixa para trás um objeto exótico conhecido como estrela de nêutrons. Mas os modelos de estrelas moribundas mostram que, se a estrela original tiver massa suficiente (40-50 vezes a massa do Sol), o colapso simplesmente continuará inabalável até que a estrela seja esmagada em uma singularidade gravitacional – um buraco negro.

Primeira imagem de um buraco negro. Crédito: Colaboração do Event Horizon Telescope et al.
Teorias explosivas

Enquanto as estrelas colapsando para formar estrelas de nêutrons são agora rotineiramente observadas em todo o universo (pesquisas de supernovas encontram dezenas de novas todas as noites), os astrônomos ainda não têm certeza do que acontece durante o colapso de um buraco negro. Alguns modelos pessimistas sugerem que a estrela inteira seria engolida sem deixar vestígios. Outros propõem que o colapso de um buraco negro produziria algum outro tipo de explosão.

Por exemplo, se a estrela estiver girando no momento do colapso, parte do material em queda pode ser focado em jatos que escapam da estrela em alta velocidade. Embora esses jatos não contenham muita massa, eles teriam um grande impacto: se colidissem com algo, os efeitos poderiam ser bastante dramáticos em termos de energia liberada.

Até agora, o melhor candidato para uma explosão desde o nascimento de um buraco negro tem sido o estranho fenômeno conhecido como explosões de raios gama de longa duração. Esses eventos foram descobertos pela primeira vez na década de 1960 por satélites militares, e a hipótese é que eles resultem de jatos acelerados a velocidades incompreensíveis por buracos negros recém-formados em estrelas em colapso. No entanto, um problema de longa data com esse cenário é que as explosões de raios gama também expelem abundantes detritos radiativos que continuam a brilhar por meses. Isso sugere que a maior parte da estrela explodiu no espaço (como em uma supernova comum), em vez de entrar em colapso em um buraco negro.

Embora isso não signifique que um buraco negro não possa ter sido formado em tal explosão, alguns concluíram que outros modelos fornecem uma explicação mais natural para as explosões de raios gama do que a formação de um buraco negro. Por exemplo, uma estrela de nêutrons supermagnetizada pode se formar em tal explosão e produzir seus próprios jatos poderosos.

Mistério resolvido?

Meus colegas e eu, no entanto, descobrimos recentemente um evento novo e (em nossa opinião) candidato muito melhor para a criação de um buraco negro. Em duas ocasiões distintas nos últimos três anos – uma vez em 2019 e outra em 2021 – testemunhamos um tipo de explosão excepcionalmente rápido e fugaz que, assim como nas explosões de raios gama, se originou de uma pequena quantidade de material em movimento muito rápido de lançar gás em seu ambiente imediato.

Usando a espectroscopia – uma técnica que decompõe a luz em diferentes comprimentos de onda –, pudemos inferir a composição da estrela que explodiu para cada um desses eventos. Descobrimos que o espectro era muito semelhante às chamadas “estrelas Wolf-Rayet” – um tipo de estrela muito massiva e altamente evoluída, em homenagem aos dois astrônomos, Charles Wolf e Georges Rayet, que as detectaram pela primeira vez. De forma emocionante, conseguimos descartar uma explosão de supernova “normal”. Assim que a colisão entre o material rápido e seu ambiente cessou, a fonte praticamente desapareceu – em vez de brilhar por um longo tempo.

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Isso é exatamente o que você esperaria se, durante o colapso de seu núcleo, a estrela ejetasse apenas uma pequena quantidade de material com o resto do objeto colapsando para baixo em um enorme buraco negro.

O novo estudo observou dois eventos que podem pertencer ao terceiro tipo de explosão, durando apenas um curto período de tempo. Crédito: Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
Hipótese clara

Embora esta seja a nossa interpretação preferida, não é a única possibilidade. A mais prosaica é que foi uma explosão normal de supernova, mas que uma vasta camada de poeira se formou na colisão, ocultando os detritos radiativos da vista. Também é possível que a explosão seja de um tipo novo e desconhecido, originado de uma estrela com a qual não estamos familiarizados.

Para responder a essas perguntas, precisaremos procurar mais desses objetos. Até agora, esses tipos de explosões eram difíceis de estudar porque são fugazes e difíceis de encontrar. Tivemos que usar vários observatórios juntos em rápida sucessão para caracterizar essas explosões: o Zwicky Transient Facility para descobri-las, o Liverpool Telescope e o Nordic Optical Telescope para confirmar sua natureza e grandes observatórios de alta resolução (o Telescópio Espacial Hubble, o Gemini Observatory e o Very Large Telescope) para analisar sua composição.

Embora inicialmente não soubéssemos exatamente o que estávamos vendo quando descobrimos esses eventos, agora temos uma hipótese clara: o nascimento de um buraco negro.

Mais dados de eventos semelhantes podem em breve nos ajudar a verificar ou falsificar essa hipótese e estabelecer a ligação com outros tipos de explosões incomuns e rápidas que nossa equipe e outros têm encontrado. De qualquer forma, parece que esta é realmente a década em que desvendamos os mistérios dos buracos negros.

* Daniel Perley é professor de astrofísica na Universidade John Moores de Liverpool (Reino Unido).

** Este artigo foi republicado do site The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original aqui.

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