A maior e mais distante erupção de um buraco negro

Astrônomos identificaram a maior e mais distante explosão já observada de um buraco negro supermassivo. Apelidado de "Superman", o fenômeno teve origem a 10 bilhões de anos-luz da Terra e, em seu pico, a luz emitida brilhou com a intensidade de 10 trilhões de sóis.

Esta impressão artística mostra um buraco negro supermassivo no processo de rasgar uma estrela massiva - com pelo menos 30 vezes a massa do Sol - em pedaços. Os cientistas propõem que foi isto que aconteceu em torno do buraco negro distante referido como J2245+3743, que, em 2018, aumentou dramaticamente de brilho para criar a erupção mais brilhante alguma vez registada de um buraco negro, brilhando com a luz de 10 biliões de sóis. Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC) 

A fonte da explosão é um núcleo galáctico ativo, ou AGN - uma região brilhante e compacta no centro de uma galáxia - alimentado por um buraco negro supermassivo em processo ativo de alimentação. Gás e poeira caem em um disco rotativo ao redor do buraco negro e, conforme os detritos giram mais rapidamente, são superaquecidos, liberando radiação intensa.

Os pesquisadores analisaram o que o gigantesco buraco negro teria consumido para liberar uma explosão tão poderosa. Eles concluíram que provavelmente engoliu uma estrela massiva que, de outra forma, teria seu destino selado em uma explosão.

"Cerca de 1 em 10.000 AGNs apresentam algum tipo de atividade explosiva, mas este caso é tão extremo que se enquadra em sua própria categoria (aproximadamente um evento em um milhão)", afirmou Matthew Graham, professor de pesquisa em astronomia do Instituto de Tecnologia da Califórnia, por e-mail. Graham é o autor principal do estudo sobre o fenômeno sem precedentes, publicado na terça-feira na revista Nature Astronomy.

A explosão sugere a existência de populações desconhecidas de estrelas gigantes próximas aos centros de grandes galáxias, que também abrigam buracos negros supermassivos - e esclarece as complexas interações entre esses dois colossos.

Um banquete estelar massivo

O Superman foi detectado pela primeira vez pelo Catalina Real-Time Transient Survey e pelo Zwicky Transient Facility no Observatório Palomar, no sul da Califórnia, em novembro de 2018. O Zwicky, que examina o céu noturno com uma câmera de grande angular, é conhecido por permitir que astrônomos descubram fenômenos cósmicos transitórios, como supernovas de rápida explosão.

Inicialmente, o objeto não parecia incomum, apenas brilhante, disse Graham. A equipe de astrônomos pensou que fosse um blazar, ou seja, um buraco negro supermassivo que lança jatos energéticos de material através do cosmos.

Cinco anos depois, ao revisitarem os dados iniciais coletados pelo levantamento Zwicky, eles notaram um sinal, anteriormente considerado um blazar, que havia mudado constantemente de brilho. A equipe realizou observações de acompanhamento com outros telescópios, como o Observatório W. M. Keck no Havaí, que revelaram que a fonte de luz era mais luminosa e energética do que inicialmente se pensava.

A luz, descobriram eles, veio de um núcleo galático ativo estimado em 500 milhões de vezes mais massivo que nosso Sol. 

Os astrônomos consideraram várias possíveis explicações para o brilho intenso do fenômeno, como a explosão de uma estrela massiva dentro do disco de material ao redor do buraco negro, antes de determinar que a causa mais provável é um evento de ruptura por forças de maré — quando uma estrela se aproxima demais de um buraco negro e é dilacerada.

O fenômeno luminoso continua ativo, o que significa que o buraco negro ainda está consumindo a estrela, como "um peixe ainda pela metade na garganta de uma baleia", disse Graham.

O Superman, como foi apelidado, atingiu um brilho 30 vezes mais luminoso que qualquer outro fenômeno conhecido de buraco negro, e a estrela sendo consumida tem uma massa pelo menos 30 vezes maior que a do Sol. O recorde anterior para um evento de ruptura por forças de maré foi estabelecido pelo ZTF20abrbeie, apelidado de "Scary Barbie", causado quando um buraco negro engoliu uma estrela entre três e 10 vezes o tamanho do nosso Sol.

"Esta é provavelmente a estrela mais massiva já vista sendo dilacerada por um buraco negro supermassivo", disse em comunicado a coautora do estudo K.E. Saavik Ford, professora de astronomia no Borough of Manhattan Community College e pesquisadora associada no departamento de astrofísica do Museu Americano de História Natural em Nova York. "Isso é empolgante porque nos mostra que estrelas massivas devem existir dentro e ao redor de discos de gás ao redor de buracos negros supermassivos."

Observando o interior das galáxias

A equipe continua monitorando o fenômeno luminoso enquanto ele diminui com o tempo — embora o tempo passe de forma diferente perto de um buraco negro em comparação com a forma como é experimentado na Terra, explicou Graham.

"É um fenômeno chamado dilatação do tempo cosmológico devido ao estiramento do espaço e do tempo. Conforme a luz viaja através do espaço em expansão para nos alcançar, seu comprimento de onda se estende, assim como o próprio tempo", disse ele. "Sete anos aqui são dois anos lá. Estamos observando o evento em velocidade reduzida, a um quarto da velocidade normal."

Como a explosão ocorreu a 10 bilhões de anos-luz de distância, a luz levou 10 bilhões de anos para chegar à Terra. Um ano-luz é a distância que a luz percorre em um ano, equivalente a 5,88 trilhões de milhas (9,46 trilhões de quilômetros).

Ao analisar os dados do Zwicky e utilizar novos telescópios, como o Observatório Vera C. Rubin no Chile, pode ser possível identificar mais desses eventos raros, que demonstram que buracos negros supermassivos possuem ambientes dinâmicos e são muito mais do que simples sumidouros gigantes cercados por material em espiral, segundo Graham.

Explosões como esta revelam a presença de estrelas incrivelmente grandes próximas ao centro das galáxias e lançam luz sobre a própria estrutura das galáxias, afirmou Ford.

"Compreender as estrelas nos centros das galáxias (quantas existem, como são) em períodos tão remotos do universo nos oferece uma nova maneira de investigar a formação das galáxias ao longo do tempo", observou ela.

A descoberta representa um avanço surpreendente em nossa compreensão dos eventos mais poderosos do universo, disse Danny Milisavljevic, professor associado de física e astronomia da Universidade Purdue. Milisavljevic não participou do novo estudo, mas pesquisou anteriormente o evento "Scary Barbie".

"Antes pensávamos que o "Scary Barbie" era uma anomalia bizarra e única, mas esta nova explosão é ainda mais extrema, liberando tanta energia quanto se todo o Sol fosse convertido completamente em radiação eletromagnética", escreveu ele em um e-mail.

"Ela pertence a uma classe emergente de transientes nucleares extremos (ENTs), um fenômeno pouco compreendido que está desafiando nossos modelos atuais sobre como buracos negros e estrelas interagem."

A explosão revela informações sobre o crescimento dos buracos negros, como eles destroem estrelas próximas e como sua imensa energia pode moldar as galáxias ao seu redor, disse Alex Filippenko, professor distinto de astronomia da Universidade da Califórnia, Berkeley. Filippenko não participou da nova pesquisa, mas seu trabalho estabeleceu uma base sólida para a física dos núcleos galácticos ativos.

"Quando um buraco negro supermassivo erupta repentinamente em uma explosão brilhante, ele oferece aos astrônomos um lugar na primeira fila para observar algumas das físicas mais extremas do Universo", escreveu ele em um e-mail.

"Ao capturar esse brilho de intensidade recorde, os astrônomos abriram uma nova janela para o estudo da física extrema nos centros galácticos, onde estrelas, gás e gravidade colidem nos laboratórios mais violentos do Universo."

Caltech.edu