Como os buracos negros engolem estrelas?

Quando uma estrela desaparece goela abaixo de um buraco negro, o flash é apenas o começo do show.

Uma estrela condenada faz uma aproximação próxima de um buraco negro no conceito deste artista. As forças extremas das marés exercidas pela gravidade do buraco negro estão destruindo a estrela. Mark A. Garlick

Eu acordo com um sino do meu smartphone. De olhos arregalados, eu checo - e sacudiu acordado ao ver um e-mail automatizado do radiotelescópio MeerKAT na África do Sul.

A linha de assunto diz: "AT 2018xxx 2hr foi concluído." A mensagem me diz que enquanto eu dormia, MeerKAT observou um alvo por duas horas e, após algum processamento inicial de imagem, a observação está agora pronta para mim nos arquivos. Tudo o que resta para mim, a meio mundo de distância em Cambridge, Massachusetts, fazer é ir online e baixá-lo.

A atração de uma descoberta em potencial me acorda mais do que uma xícara de café jamais poderia. Pode ser isso! Uma radioônoma moderna não precisa viajar para terras distantes para coletar os dados ela mesma — indiscutivelmente menos romântica. Mas a emoção de antecipação e descoberta permanece a mesma, não importa onde você esteja na Terra.

Eu baque meus dedos enquanto espero meu laptop carregar a imagem, emoção aumentando como eu me pergunto o que eu estou prestes a ver. Há muitas estrelas e galáxias neste pedaço do céu, mas isso é apenas vestir janelas. A verdadeira excitação seria negligenciada pelo olho destreinado: uma pequena coleção de pixels discretos no meio da imagem.

É luz do suspiro final de uma estrela como um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia fica violento, puxando a estrela para fora e canibalizando-a. Um evento de interrupção das marés (TDE), como essas ocorrências são chamadas, é um dos eventos mais energéticos e luminosos do universo. Mas poucos são fáceis de encontrar, e ainda menos emitem as ondas de rádio cruciais para entendê-las. Cada nova descoberta é preciosa.

E em apenas mais alguns minutos, serei a única pessoa na Terra a saber se, para esta fonte, existe um sinal de rádio. Eu baque meus dedos mais rápido.

Dilacerado

A história de um TDE começa no coração de uma galáxia, perto da borda de um buraco negro supermassivo milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol. Os astrônomos agora pensam que praticamente todas as grandes galáxias têm um buraco negro em seu centro. Essas monstruosidades gravitacionais desempenham um papel fundamental na formação de suas galáxias hospedeiras e exercem enorme influência em seus arredores.

Buracos negros são famosos por serem tão densos que nem mesmo a luz pode escapar de sua gravidade. Mas apesar das concepções populares, eles não sugam material mais do que o Sol suga os planetas que o orbitam. Por exemplo, se o Sol subitamente comprimir em um buraco negro, ele diminuiria para apenas 6 quilômetros de diâmetro, mas os planetas continuariam a orbitar como atualmente fazem porque sua massa não mudaria. 

A gravidade de um buraco negro funciona da mesma maneira. Quando os astrônomos olham para o centro de nossa própria Galáxia da Via Láctea, vemos mais de uma dúzia de estrelas orbitando um ponto comum onde o buraco negro supermassivo de nossa galáxia, chamado Sagitário A* (Sgr A*), reside. Na verdade, os astrônomos têm observado Sgr A* por tanto tempo que viram a estrela mais interna, S2, completar uma órbita completa, que leva 16 anos.

Depois de estabelecer os parâmetros orbitais de S2, os pesquisadores aplicaram a terceira lei de kepler de movimento planetário para calcular a massa de Sgr A*, que atinge cerca de 4 milhões de massas solares. Embora o cálculo final fosse simples, o trabalho para obter os dados ao longo de tantos anos não foi — na verdade, ele ganhou dos astrônomos Andrea Ghez e Reinhard Genzel o Prêmio Nobel de Física de 2020.

As forças das marés que agem sobre uma estrela perto de um buraco negro a rasgam em um processo chamado espaguete, retratado nesta simulação. À medida que a matéria é retirada da estrela, ela forma caudas de maré dramáticas e, eventualmente, um disco de acreção (no canto inferior esquerdo).J. Guillochon e E. Ramirez-Ruiz

S2 parece estar em uma órbita estável por enquanto, mas os pesquisadores estimam que milhares de estrelas, incluindo remanescentes estelares como estrelas de nêutrons e anãs brancas, também orbitam Sgr A*. Quando dois desses objetos têm um encontro próximo, sua gravidade perturba as órbitas um do outro e eles saem em novas trajetórias alteradas. A maioria dessas órbitas permanecem estáveis, ou talvez arremessando a estrela para fora do centro da galáxia. Mas em raras ocasiões, a nova órbita de uma estrela a envia para dentro em rota de colisão com desastres.

À medida que a estrela condenada se aproxima do buraco negro supermassivo, ela começa a experimentar forças de maré: Como a gravidade é mais forte perto de um objeto, o buraco negro puxa mais fortemente no lado próximo da estrela do que seu lado distante. Eventualmente, quando a estrela atinge uma certa distância do buraco negro - o raio da maré - a diferença de força de um lado para o outro torna-se maior do que a autogravidade da estrela segurando-a unida. 

Quando isso acontece, "a estrela fica esticada ao longo de sua direção de movimento", explica Enrico Ramirez-Ruiz, astrofísico da Universidade da Califórnia, Santa Cruz, especialista em teoria TDE. A estrela se deforma de sua esfera habitual em um oval, e depois em um longo e fino fluxo. Esse processo é chamado de espaguete. À medida que ocorre, a densidade da estrela diminui e a fusão em seu núcleo pára completamente. Embora uma estrela possa levar milhões de anos para se formar e brilhar por bilhões a mais, este desenrolar final leva apenas algumas horas.

A caça aos TDEs

O que acontece depois? "Metade do material da estrela cai e forma um disco de acreção ao redor da estrela", explica Ramirez-Ruiz, "e metade é ejetada." O material do disco cai sobre o buraco negro e o alimenta, alimentando-o com um sinalizador luminoso que pode ser visto a grandes distâncias antes de passar pelo horizonte de eventos do buraco negro (onde a luz não pode mais escapar).

À primeira vista, esses eventos deslumbrantes podem se assemelhar a uma supernova — uma estrela massiva que explode no final de sua vida quando seu combustível está esgotado. Para distinguir TDEs de supernovas, os astrônomos ficam de olho em duas coisas. Primeiro, eles procuram por um clarão brilhante no centro de uma galáxia cujo buraco negro supermassivo estava anteriormente adormecido. Em seguida, eles quebram a luz por comprimento de onda e estudam seu espectro para ver quais elementos ele contém. Ao contrário de uma supernova, os elementos observados em um sinalizador TDE são semelhantes aos das estrelas da sequência principal que ainda estão queimando forte. Se o seu sinalizador se encaixa em ambos os critérios, você tem um TDE potencial em suas mãos!

Os astrônomos detectaram os primeiros candidatos ao TDE na década de 1990. Nos últimos anos, encontrá-los ficou mais fácil graças a pesquisas automáticas de céu que varrem o céu noturno em busca de objetos transitórios — sinais que mudam no céu ao longo do tempo em vez de permanecerem constantes. Ainda assim, até o momento, só observamos cerca de 100 TDEs.

Isso é porque os TDEs são raros. Os astrônomos estimam que uma galáxia como a Via Láctea tem um TDE não mais do que uma vez a cada 100.000 anos. Supernovas, por outro lado, ocorrem em uma galáxia do nosso tamanho aproximadamente uma vez por século.

Uma imagem incrível

Indiscutivelmente o TDE mais famoso até agora ocorreu em 2011, quando o Observatório Neil Gehrels Swift da NASA detectou uma estranha explosão de radiação do centro de uma galáxia a 3,8 bilhões de anos-luz de distância. Swift foi lançado em 2004 para estudar explosões de raios gama - explosões imensamente energéticas de radiação que ocorrem durante uma supernova ou uma fusão de estrelas de nêutrons.

Mas ao contrário dessas explosões, que não duram mais do que alguns minutos, essa radiação continuou. "Era diferente de tudo o que tínhamos visto antes", lembra Joshua Bloom, astrônomo da Universidade da Califórnia, Berkeley, que era um dos principais investigadores do sinal.

Logo, telescópios que abrangem todo o espectro eletromagnético foram apontados para Swift J1644+57, como o evento ficou conhecido. Diferentes processos físicos emitem diferentes tipos de radiação, e muitas vezes a chave para desvendar um mistério astronômico está em observar o maior número de comprimentos de onda possível.

Um fino fluxo de material de uma estrela tidally interrompida é puxado para um disco de acreção em torno de um buraco negro nesta ilustração. DESY, Laboratório de Comunicação Científica

Uma imagem incrível surgiu: um TDE tinha ocorrido em torno de um buraco negro anteriormente adormecido e, como parte deste processo, o TDE tinha de alguma forma lançado um jato de material viajando perto da velocidade da luz, tão rápido que as leis da relatividade devem ser consideradas. Este jato relativístico foi direcionado diretamente para a Terra - e os astrônomos estavam olhando diretamente para o feixe. "Foi uma das minhas únicas vezes como astrônomo onde tive um momento 'ah-ha!', e todos os pedacinhos começaram a se juntar na minha cabeça", lembra Bloom. "Ainda não tínhamos todos os detalhes, mas observacionalmente e teoricamente parecia clicar."

Em comprimentos de onda de raios-X, os astrônomos notaram um padrão consistente de ascensão e queda no brilho do TDE. Eles perceberam que eram explosões de material desfiado caindo no buraco negro, constantemente alimentando o jato. Outra informação chave veio de comprimentos de onda de rádio. Medindo a intensidade do sinal em várias frequências, os astrônomos poderiam extrair uma gama de informações. Isso incluiu a energia no jato, bem como o raio da onda de explosão que criou os sinais de rádio, e até mesmo a densidade do material que ele estava arando. Finalmente, observações ópticas confirmaram a localização da própria fonte: tapa no centro da galáxia hospedeira, onde um buraco negro supermassivo se esconde.

Então, depois de cerca de um ano e meio desta atividade, o sinal de raio-X de repente caiu vertiginosamente, a ponto de Swift não conseguir mais detectá-lo. Os astrônomos perceberam que tinham acabado de testemunhar outro evento incrível - o jato desligando. Normalmente, jatos relativísticos de buracos negros duram milhares de anos, pelo menos. O fato de que este durou menos tempo do que marte para orbitar o Sol foi sem precedentes, e uma benção para os astrônomos que trabalham para desvendar seus mistérios.

Uma vez que o jato desligou, a onda de choque de Swift J1644+57 lentamente desapareceu em energia. A emissão de raios-X já se foi há muito tempo, mas a explosão ainda tem energia suficiente para enviar ondas de rádio que o Very Large Array (VLA) no Novo México pode estudar por 100 anos. Eu sei disso porque eu mesmo fiz a análise.

A MORTE DE UMA ESTRELA: 1) Os eventos de ruptura das marés começam com uma estrela orbitando um buraco negro supermassivo no coração de uma galáxia. Se ele faz um encontro próximo com outra estrela, ele pode ser jogado em um mergulho mortal em direção ao buraco negro. 2) À medida que a estrela se aproxima do buraco negro, as forças das marés começam a crescer, distorcendo a estrela — o processo de espaguete. 3) Eventualmente, as forças das marés se tornam mais fortes do que a auto-gravidade da estrela, rasgando a estrela. Parte do material estelar desmontado forma um disco de acreção ao redor do buraco negro, e parte dele é arremessado para o espaço. 4) À medida que a matéria gira em torno do buraco negro, os campos magnéticos concentram parte do material em um jato poderoso, cujas partículas viajam perto da velocidade da luz. Isso cria ondas de choque dentro do jato que produzem feixes intensos de raios-X e ondas de rádio. TODAS AS ILUSTRAÇÕES: AstronomIA: ROEN KELLY

Comecei meu Doutorado em Astronomia em 2011, com o objetivo de me especializar em radioastronomia transitória. (Eu queria ser um radioestrono- astrônomo desde que li Contato de Carl Sagan na adolescência, então esta foi uma escolha inevitável.)

Quando soube do Swift J1644+57, fiquei impressionado com a quantidade de informações que o sinal de rádio continha. Quando terminei meu doutorado e surgiu a oportunidade de me tornar bolsista de pós-doutorado em Harvard com o grupo que tinha feito a análise inicial do Swift J1644+57, eu pulei para ele - e comecei a analisar os dados mais recentes sobre o TDE. Claro, eu estava anos depois dos fogos de artifício principais e era uma tonelada de trabalho, mas eu, no entanto, parava de vez em quando para me maravilhar com a minha sorte.

Os grandes mistérios

Quando as pessoas ouvem que sou astrônomo, muitas vezes me perguntam qual é a pergunta mais interessante sem resposta no universo. A resposta honesta é que é frequentemente a coisa em que estou trabalhando naquele momento - quanto mais você pesquisa um assunto, mais você vem a apreciar seus meandros.

Então aqui está o mistério sobre TDEs em geral, e Swift J1644+57 em particular, que me faz pensar: Embora seja o TDE mais bem estudado já registrado, Swift J1644+57 não foi previsto e não é de todo como outros TDEs que vimos. Foi mil vezes mais luminoso em ondas de rádio do que outros TDEs e mais de 10.000 vezes mais energético, graças ao seu jato relativístico. Por outro lado, em um TDE "comum", o material tende a fluir em todas as direções com níveis de energia semelhantes ao que vemos em uma explosão de supernova — ainda incrível e impressionante, é claro, mas um pouco como comparar uma explosão convencional a uma bomba nuclear.

Cada objeto circulado nesta imagem de rádio MeerKAT é um buraco negro supermassivo recém-descoberto pelo telescópio, disparando jatos relativísticos para o espaço. A imagem é uma visão de campo largo que abrange 1,78 graus quadrados. Yvette Cendes/SARAO

Coincidentemente, Swift viu mais dois TDEs lançados em 2011, mas a distâncias muito maiores, então eles não puderam ser estudados em detalhes. Caso contrário, todos os TDEs que vimos caíram na categoria comum. Nesse ritmo, parece que apenas 1% de todos os TDEs lançam um jato relativístico, e ainda não entendemos o que torna esses TDEs tão especiais. Talvez a estrela desvincula particularmente rápido, ou os campos magnéticos ao redor do buraco negro sejam extraordinariamente altos - mas sem mais eventos, é difícil saber com certeza.

Outro mistério sobre TDEs que me faz pensar é que, embora saibamos que muito do material cai no buraco negro, muito disso não. "Sabemos que buracos negros supermassivos são comedores bagunçados", minha colaboradora Kate Alexander, astrônoma da Universidade Northwestern, gosta de brincar. Como o material remanescente interage com o ambiente circundante ainda é uma questão em aberto.

Se vamos entender os TDEs e como esses buracos negros moldam seus ambientes, precisamos acompanhar o maior número possível de eventos novos — e em maiores comprimentos de onda — . Até agora, menos da metade dos TDEs conhecidos foram detectados com sinais de rádio.

Alexander espera mudar isso, e supervisiona um grande programa de observação VLA (no qual também participo) para acompanhar todos os novos TDEs descobertos em nosso universo local. O programa tem o direito de "acionar" o VLA sempre que um novo TDE for descoberto por outra instalação em outro comprimento de onda — ou seja, interromper o cronograma de observações urgentes de nossos próprios tempos para coletar mais dados sobre TDEs próximos.

Duas galáxias de rádio brilhantes lançam jatos relativísticos nesta imagem de rádio MeerKAT. A galáxia superior está a cerca de 240 milhões de anos-luz de distância; a galáxia inferior está a cerca de 130 milhões de anos-luz de distância. Yvette Cendes/SARAO

Olhos frescos

No entanto, o VLA não pode fazer este trabalho sozinho. De sua localização no Novo México, ele não pode ver cerca de um terço do céu sul. Na verdade, até os últimos anos, todos, exceto os TDEs mais brilhantes, eram inobserváveis nos céus do sul porque não havia instalações tão sensíveis quanto o VLA com a visão certa.

Felizmente, esta situação está mudando rapidamente, graças a novos telescópios como o MeerKAT. Composto por 64 antenas na região de Karoo, na África do Sul, é tão sensível quanto o VLA. Eventualmente, ele se tornará parte do Square Kilometer Array, que será o radiotelescópio mais poderoso da Terra uma vez concluído em 2030, e comporá pratos espalhados pela África do Sul e Austrália.

MeerKAT viu a primeira luz em 2016 e, quando a primeira chamada saiu para que não-sul-africanos proporem observações com o MeerKAT, eu aproveitei a chance. Meus alvos? Meia dúzia de TDEs, a maioria dos quais nunca tinham sido observados em comprimentos de onda de rádio.

A região ao redor do centro da Galáxia da Via Láctea tem duas enormes bolhas de gás quente sendo sopradas (para cima e para baixo) nesta imagem MeerKAT — evidência da influência do buraco negro supermassivo em seu ambiente. Filamentos magnéticos quentes e finos também são visíveis, onde fios do poderoso campo magnético do buraco negro têm gás aquecido e energizado. Observatório de Radioastronomia da África do Sul (SARAO)

E foi assim que me vi acordando uma manhã para um sino de celular acionado por um radiotelescópio a meio mundo de distância.

Tive a sorte de usar uma dúzia de radiotelescópios diferentes, mas ficou claro desde o início que o MeerKAT é diferente. Estou acostumado a fontes que aparecem como bolhas sem características, mas os detalhes e o amplo campo de imagens de MeerKAT as tornam inquestionavelmente as mais bonitas que já vi - uma grande faixa de céu com dezenas de pequenas galáxias flutuando no espaço.

Não é diferente do Campo Profundo do Hubble, mas em vez da luz estelar visível que o Hubble vê, as galáxias nas imagens de rádio de MeerKAT são alimentadas pelos buracos negros supermassivos que habitam em seus centros interagindo com gás e poeira perdidos. Esses encontros são eventos constantes e de baixa energia que alimentam a maioria dos buracos negros no universo.

Ainda assim, não é o que estou atrás.

Finalmente, a imagem do MeerKAT é carregada no meu laptop. Eu paro para levar a coisa toda - parece flutuar no espaço, nem que seja por um momento - antes de dar zoom no centro. E... ali! Uma mancha de luz no centro - o sinalizador de uma estrela moribunda cujos restos estão sendo engolidos por um buraco negro, suspenso sozinho no meio do oceano cósmico.

Eu sorrio e começo a planejar os próximos passos da minha análise. O fim da jornada desta estrela significa o início da minha tentativa de desvendar sua história, e há muito trabalho a fazer.

Fonte: Astronomy.com