A estrela que desapareceu sem fazer barulho.

Astrônomos descobriram uma estrela na Galáxia de Andrômeda que se transformou em um buraco negro sem se tornar uma supernova.

Estas imagens mostram a localização (e o desaparecimento) de M31-2014-DS1. (A) é uma composição colorida. A área no quadrado tracejado amarelo é a região mostrada nas imagens (B), (C) e (D), onde (D) é a diferença entre (B) e (C). As imagens (E) a (J) são ampliações da estrela tiradas nos anos indicados. Crédito: Imagem NIR Keck 

Astrônomos observaram recentemente a morte de uma estrela massiva, que não explodiu como uma supernova. Em vez disso, ela colapsou diretamente em um buraco negro, expelindo lentamente suas turbulentas camadas externas durante o processo. Essa observação da transformação de uma estrela em um buraco negro gerou uma nova teoria que explica como isso acontece.

Os resultados, publicados em 12 de fevereiro na revista Science , ajudarão a explicar por que algumas estrelas massivas se transformam em buracos negros quando morrem, enquanto outras não.

“Este é apenas o começo da história”, diz Kishalay De, cientista pesquisador associado do Instituto Flatiron da Fundação Simons e principal autor do novo estudo. A luz dos detritos empoeirados que circundam o buraco negro recém-formado, afirma ele, “será visível por décadas, mesmo com a sensibilidade de telescópios como o Telescópio Espacial James Webb, porque continuará a se dissipar muito lentamente. E isso pode acabar se tornando um marco para a compreensão de como os buracos negros estelares se formam no universo.”

A estrela, designada M31-2014-DS1, está localizada a 2,5 milhões de anos-luz da Terra, na galáxia vizinha de Andrômeda (M31). De e seus colaboradores analisaram medições do projeto NEOWISE da NASA e de outros telescópios terrestres e espaciais, realizadas entre 2005 e 2023. Eles descobriram que a luz infravermelha de M31-2014-DS1 começou a brilhar mais intensamente em 2014. Em 2016, a estrela sofreu uma grande queda de brilho.

Observações feitas em 2022 e 2023 mostraram que a emissão de luz visível e infravermelha próxima da estrela caiu para um décimo milésimo do que era antes. Atualmente, a estrela só é detectável na luz infravermelha média, e mesmo assim, seu brilho é apenas um décimo do que era antes.

De diz: “Essa estrela costumava ser uma das mais luminosas da Galáxia de Andrômeda, e agora não se vê mais nada. Imagine se a estrela Betelgeuse desaparecesse de repente. Todo mundo ficaria louco! A mesma coisa estava acontecendo com essa estrela na Galáxia de Andrômeda.”

O que deveria acontecer

Comparando suas observações com as teorias, os pesquisadores concluíram que o drástico desaparecimento do brilho da estrela indicava que seu núcleo havia colapsado e se transformado em um buraco negro.

O hidrogênio se transforma em hélio nos núcleos das estrelas por meio de um processo chamado fusão nuclear, que gera toda a sua energia. Durante a maior parte de suas vidas, o impulso externo dessa energia equilibra a força gravitacional que o atrai, e a estrela permanece em equilíbrio. Mas quando uma estrela com 10 ou mais massas que o nosso Sol começa a ficar sem combustível, esse equilíbrio é rompido. A gravidade começa a colapsar a estrela, e seu núcleo sucumbe primeiro, formando uma densa estrela de nêutrons no centro.

Nesse ponto, ocorre uma enorme emissão de neutrinos que gera uma poderosa onda de choque. Normalmente, isso cria uma explosão poderosa chamada supernova, que lança grande parte do material da estrela para o espaço. Mas se a onda de choque impulsionada por neutrinos não causar uma explosão, a teoria diz que a maior parte do material da estrela cairia de volta na estrela de nêutrons, formando um buraco negro.

“Já sabemos há quase 50 anos que os buracos negros existem”, diz De, “mas ainda estamos apenas começando a entender quais estrelas se transformam em buracos negros e como isso acontece.”

O que está acontecendo?

Ao estudarem M31-2014-DS1, a equipe percebeu que nenhuma teoria anterior levava em consideração um processo que ocorria nas camadas externas da estrela. O que outros cientistas não haviam considerado era a convecção.

A convecção resulta das grandes diferenças de temperatura no interior da estrela. O material próximo ao centro da estrela é extremamente quente, enquanto as regiões externas, em comparação, são muito mais frias. Essa diferença faz com que o gás dentro da estrela se mova das regiões mais quentes para as mais frias.

Quando o núcleo da estrela colapsa, o gás em suas camadas externas continua se movendo rapidamente devido à convecção. Modelos teóricos desenvolvidos pelos pesquisadores mostram que isso impede que a maior parte do material caia no núcleo. Em vez disso, as camadas mais internas orbitam perto do buraco negro e impulsionam a ejeção das camadas mais externas da região convectiva. E é um processo mais lento do que ocorreria se a estrela explodisse.

A coautora e pesquisadora da Flatiron, Andrea Antoni, desenvolveu anteriormente as previsões teóricas para esses modelos de convecção. Com os dados de M31-2014-DS1, ela afirma: “a taxa de acreção — a taxa de material que cai — é muito mais lenta do que se a estrela implodisse diretamente. Esse material convectivo possui momento angular, então ele se circulariza ao redor do buraco negro. Em vez de levar meses ou um ano para cair, leva décadas. E por causa disso tudo, ele se torna uma fonte mais brilhante do que seria de outra forma, e observamos um longo atraso no escurecimento da estrela original.”

Os pesquisadores estimam que apenas cerca de um por cento da atmosfera original da estrela cai no buraco negro, alimentando a luz que emana dele atualmente.

Essa estrela não está sozinha

Ao analisar M31-2014-DS1, De e sua equipe também reavaliaram uma estrela semelhante, NGC 6946-BH1, que havia sido estudada há 10 anos. Em seu artigo, eles explicam por que essa estrela seguiu um padrão similar. M31-2014-DS1 inicialmente se destacou como um caso atípico, diz De, mas agora parece ser apenas um membro de uma classe de objetos — incluindo NGC 6946-BH1.

“É somente com essas preciosidades individuais de descoberta que começamos a montar um quadro como este”, diz De.

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