3 buracos negros detectados em dados da NASA devorando estrelas massivas

Buracos negros são invisíveis para nós, a menos que interajam com outra coisa. Alguns consomem gás e poeira continuamente e parecem brilhar intensamente ao longo do tempo conforme a matéria entra. Mas outros buracos negros ficam secretamente à espreita por anos até que uma estrela se aproxime o suficiente para serem comidos. 

Nesta ilustração, um disco de gás quente rodopia em torno de um buraco negro. Parte do gás veio de uma estrela que foi dilacerada pelo buraco negro, formando a longa corrente de gás quente à direita, que alimenta o disco. Crédito: NASA/JPL-Caltech

Um novo estudo, utilizando dados espaciais e terrestres da NASA, ESA (Agência Espacial Europeia) e outras instituições, descreve três exemplos extremos de buracos negros supermassivos se alimentando de estrelas massivas. Esses eventos liberaram mais energia do que 100 supernovas e  representam o tipo de explosão cósmica mais energético desde o Big Bang  descoberto até agora.

Cada buraco negro supermassivo fica no centro de uma galáxia distante e subitamente brilhou ao destruir uma estrela de três a dez vezes mais pesada que o nosso Sol. O brilho então perdurou por vários meses.

Cientistas descrevem essas ocorrências raras como uma nova categoria de eventos cósmicos chamada "transitórios nucleares extremos". Procurar por mais desses transientes nucleares extremos pode ajudar a revelar alguns dos buracos negros supermassivos mais massivos do universo, que geralmente são silenciosos.

"Esses eventos são a única maneira de termos um holofote para iluminar buracos negros massivos que de outra forma seriam inativos", disse Jason Hinkle, estudante de pós-graduação na Universidade do Havaí e principal autor de um novo estudo publicado na revista Science Advances, que descreve esse fenômeno.

Esta ilustração mostra um fluxo brilhante de material de uma estrela que está a ser devorada por um buraco negro supermassivo. Quando uma estrela passa a uma certa distância de um buraco negro - suficientemente perto para ser perturbada gravitacionalmente - o material estelar é esticado e comprimido à medida que cai no buraco negro. Crédito: NASA/JPL-Caltech

Esses eventos liberam enormes quantidades de radiação de alta energia nas regiões centrais de suas galáxias hospedeiras. "Isso tem implicações para os ambientes em que esses eventos ocorrem", disse Hinkle. "Se as galáxias têm esses eventos, eles são importantes para as próprias galáxias."

A destruição das estrelas produz luz de alta energia que leva mais de 100 dias para atingir o brilho máximo e, em seguida, mais de 150 dias para diminuir até a metade do seu pico. A forma como a radiação de alta energia afeta o meio ambiente resulta em emissões de menor energia que os telescópios também conseguem detectar.

Um desses eventos de destruição estelar, apelidado de "Barbie" devido ao seu identificador de catálogo ZTF20abrbeie, foi descoberto em 2020 pela Instalação Transiente Zwicky no Observatório Palomar do Caltech, na Califórnia, e documentado em dois estudos de 2023. Os outros dois buracos negros foram detectados pela missão Gaia da ESA em 2016 e 2018 e são estudados em detalhes no novo artigo.

O Observatório Neil Gehrels Swift da NASA foi crucial para confirmar que esses eventos devem ter sido relacionados a buracos negros, e não a explosões estelares ou outros fenômenos. A maneira como os raios X, a luz ultravioleta e a luz óptica aumentavam e diminuíam de intensidade ao longo do tempo era como uma impressão digital que correspondia à de um buraco negro destruindo uma estrela.

Os cientistas também utilizaram dados da sonda espacial WISE da NASA , que operou de 2009 a 2011 e foi reativada como NEOWISE, aposentada em 2024. Durante a missão WISE, a sonda mapeou o céu em comprimentos de onda infravermelhos, encontrando muitos novos objetos distantes e fenômenos cósmicos. No novo estudo, os dados da sonda ajudaram os pesquisadores a caracterizar a poeira nos ambientes de cada buraco negro. Inúmeros observatórios terrestres também contribuíram para essa descoberta, incluindo os telescópios do Observatório WM Keck, por meio de seu arquivo financiado pela NASA, e os levantamentos de Objetos Próximos à Terra ATLAS, Pan-STARRS e Catalina, apoiados pela NASA.

"O que acho tão empolgante sobre esse trabalho é que estamos expandindo os limites superiores do que entendemos serem os ambientes mais energéticos do universo", disse Anna Payne, cientista da equipe do Instituto de Ciências do Telescópio Espacial e coautora do estudo, que ajudou a procurar as impressões digitais químicas desses eventos com o Telescópio de 2,2 metros da Universidade do Havaí.

Uma bolsa da agência Future Investigators in NASA Earth and Space Science and Technology (FINESST) permitiu que Hinkle buscasse esses eventos de buracos negros. "A bolsa FINESST deu a Jason a liberdade de rastrear e descobrir o que esses eventos realmente foram", disse Ben Shappee, professor associado do Instituto de Astronomia da Universidade do Havaí, coautor do estudo e orientador de Hinkle.

Hinkle deverá dar continuidade a esses resultados como pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, por meio do Programa de Bolsas Hubble da NASA . "Uma das maiores questões da astronomia é como os buracos negros se desenvolvem no universo", disse Hinkle.

Os resultados complementam observações recentes do Telescópio Espacial James Webb da NASA, mostrando como buracos negros supermassivos se alimentam e crescem no universo primordial. Mas, como apenas 10% dos buracos negros primitivos se alimentam ativamente de gás e poeira, transientes nucleares extremos — ou seja, capturar um buraco negro supermassivo no ato de devorar uma estrela massiva — são uma maneira diferente de encontrar buracos negros no universo primordial.

Eventos como esses são tão brilhantes que podem ser visíveis até mesmo no universo distante e primitivo. Swift demonstrou que transientes nucleares extremos emitem a maior parte de sua luz no ultravioleta. Mas, à medida que o universo se expande, essa luz é esticada para comprimentos de onda maiores e se desloca para o infravermelho — exatamente o tipo de luz que o futuro Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA foi projetado para detectar.

Com sua poderosa sensibilidade infravermelha e amplo campo de visão, o Roman será capaz de detectar essas raras explosões de mais de 12 bilhões de anos atrás, quando o universo tinha apenas um décimo de sua idade atual. Com lançamento previsto para 2027, e potencialmente já no outono de 2026, o Roman poderá revelar muitos outros eventos dramáticos como esse e oferecer uma nova maneira de explorar como estrelas, galáxias e buracos negros se formaram e evoluíram ao longo do tempo.

“Podemos usar esses três objetos como um modelo para saber o que procurar no futuro”, disse Payne.

Science.nasa.gov