Primeiros momentos turbulentos da vida de um buraco negro capturados em novas simulações

Os cientistas modelaram como os buracos negros e as estrelas de nêutrons se formam após o colapso de estrelas moribundas e explicaram por que alguns recebem um forte “chute” no espaço interestelar. 

Uma ilustração da formação de um buraco negro primitivo. (Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech)

Os astrônomos descobriram como algumas estrelas moribundas expulsam buracos negros bebés do útero – e não é nada bonito. Estes raros buracos negros recebem um impulso significativo quando as suas estrelas-mãe morrem numa explosão cataclísmica, lançando os recém-nascidos glutões gravitacionais a velocidades incríveis, descobriu um novo estudo.

As descobertas podem lançar luz sobre os primeiros momentos enigmáticos da vida de um buraco negro.

Buracos negros e estrelas de nêutrons nascem no coração de estrelas massivas e moribundas. Quando estrelas com pelo menos oito vezes a massa do Sol estão próximas do fim de suas vidas, elas fundem ferro em seus núcleos. Pressões intensas transformam esse núcleo de ferro em uma estrela de proto-nêutrons, um aglomerado de nêutrons do tamanho de uma cidade. Esse aglomerado pode interromper temporariamente o colapso gravitacional do resto da estrela. Por sua vez, esta paralisação geralmente desencadeia uma explosão de supernova. Mas às vezes as pressões podem aumentar no centro dessas explosões, transformando aquela estrela de proto-nêutrons em um buraco negro.

O que acontece a seguir ninguém sabe. Modelos computacionais anteriores de supernovas simulavam apenas menos de um segundo desse processo – apenas o suficiente para capturar a própria explosão. E observações de buracos negros e estrelas de nêutrons reais sugerem todo tipo de física estranha. Algumas estrelas de nêutrons se movem a mais de 5,4 milhões de km/h (3,4 milhões de mph), indicando que foram violentamente expulsas durante o processo de explosão, enquanto outras se movem 30 vezes mais devagar, sugerindo um processo de nascimento mais sereno.

Os buracos negros, por outro lado, quase sempre têm baixas velocidades de “chute”, embora as circunstâncias de sua criação sejam muito mais violentas.

Uma equipe de astrônomos elucidou o estranho período recém-nascido dos buracos negros e estrelas de nêutrons executando 20 simulações computacionais de supernovas. As simulações duraram o suficiente para mostrar como cada objeto foi “chutado” pela sua estrela-mãe. Seu trabalho foi publicado no banco de dados de pré-impressão arXiv em 20 de novembro e submetido ao The Astrophysical Journal para revisão por pares.

Os astrônomos descobriram uma estreita relação entre as propriedades da estrela-mãe antes da explosão (conhecida como “progenitor”) e a estrela de nêutrons ou buraco negro resultante. Quando a estrela-mãe não é muito massiva e não é muito compacta – o que significa que as suas camadas exteriores são alargadas em relação ao seu núcleo – a supernova acontece muito repentinamente e numa esfera quase perfeita, dando origem a uma estrela de nêutrons de movimento lento.

Por outro lado, progenitores muito massivos e compactos demoram mais para se transformarem em supernovas e, quando ocorrem as explosões, não são muito simétricos. Isso produz uma estrela de nêutrons em movimento rápido emergindo do caos. Os investigadores também descobriram que estrelas de nêutrons maiores tendem sendo chutadas com mais força, o que significa que uma maior massa de um progenitor compacto no núcleo acaba numa estrela de nêutrons.

Os progenitores também fizeram girar estrelas de nêutrons, e os pesquisadores descobriram que, geralmente, quanto maior o impulso, maior o giro. Portanto, se a estrela progenitora explodiu assimetricamente, a explosão irregular não apenas empurra a estrela de nêutrons para fora, mas também a faz girar. Isso pode explicar a origem dos magnetares, que são estrelas de nêutrons supermagnetizadas e de rotação rápida.

Dois mecanismos de formação explicam como os buracos negros são chutados. Num caso, o progenitor não explode completamente, mas a pressão no núcleo aumenta até ao ponto em que se forma um buraco negro. Esses buracos negros são bastante grandes – cerca de 10 massas solares, em média – e dificilmente são chutados. A maioria dos buracos negros se enquadra nesta categoria.

Mas os buracos negros também podem formar-se através de uma segunda via. Em alguns casos, a estrela progenitora explode completamente e carrega muita massa, deixando para trás um buraco negro menor, com aproximadamente três massas solares. Curiosamente, estes buracos negros recebem velocidades de arranque incríveis, superiores a 3,6 milhões de km/h (2,2 milhões de mph), descobriu o estudo. No entanto, esses buracos negros em movimento rápido são bastante raros.

A pesquisa faz uma conexão importante entre o que podemos observar (estrelas de nêutrons e buracos negros movendo-se pelo universo) e o que não podemos (ou seja, os detalhes do próprio processo de explosão do progenitor). Ao examinar as propriedades das estrelas de nêutrons e dos buracos negros, os astrônomos serão capazes de trabalhar no sentido de pintar um quadro completo do ciclo de vida estelar.

Fonte: Space.com