Observação, em câmara lenta, de uma estrela massiva dilacerada por um buraco negro

Um clarão de intensidade extraordinária iluminou subitamente o cosmos em 2018, chamando a atenção dos astrónomos pelo seu brilho nunca antes observado. Esta manifestação energética, proveniente de uma região muito distante, levantou imediatamente questões sobre a sua origem e natureza.

Crédito: Caltech/R. Hurt (IPAC) 

O evento tem origem num buraco negro supermassivo situado a cerca de 10 mil milhões de anos-luz, designado por J2245+3743. Em 2018, o seu brilho aumentou de forma espetacular, atingindo o equivalente a 10 000 mil milhões de sóis, tornando-o no clarão mais potente já registado para um objeto deste tipo. As observações iniciais foram realizadas pelo Zwicky Transient Facility (ZTF) e pelo Catalina Real-Time Transient Survey, dois programas de monitorização do céu baseados no observatório Palomar da Caltech.

Os investigadores identificaram este fenómeno como um evento de disrupção de maré, onde a gravidade intensa do buraco negro dilacera uma estrela que se aproxima demasiado. Neste caso, a estrela em questão tinha uma massa pelo menos trinta vezes superior à do Sol, tornando este episódio o mais massivo já observado deste género. Este processo liberta uma quantidade considerável de energia sob a forma de luz e radiação, explicando o clarão excecional detetado.

A observação deste evento é tornada particular pela dilatação do tempo cosmológico devido à expansão do Universo. A luz emitida demora milhares de milhões de anos a chegar até nós, e o desenrolar parece abrandado desde a Terra. Matthew Graham, investigador principal, precisa que sete anos terrestres correspondem a apenas dois anos ao nível do buraco negro, permitindo aos cientistas estudar o fenómeno em câmara lenta natural.

A raridade de tais eventos num núcleo galáctico ativo reforça o interesse desta descoberta. Os núcleos galácticos ativos são regiões onde um buraco negro supermassivo acumula ativamente matéria, mascarando frequentemente os sinais de disrupção de estrelas. Aqui, a amplitude do clarão permitiu distingui-lo nitidamente, oferecendo uma oportunidade preciosa de estudar as interações entre estrelas massivas e buracos negros em ambientes extremos.

Esta observação abre perspetivas para a compreensão da evolução estelar e dos fenómenos energéticos no Universo jovem. Os programas como o ZTF continuam a monitorizar o céu, e o futuro observatório Vera C. Rubin poderá revelar outros eventos comparáveis.

As implicações desta descoberta estendem-se para além da astronomia observacional, tocando a física fundamental. A energia libertada, equivalente à conversão de uma proporção significativa da massa estelar em energia, mostra a extrema violência destes processos. Tais estudos ajudam a aperfeiçoar os modelos sobre a formação e destruição de estrelas em galáxias distantes.

O ZTF está instalado no telescópio Samuel Oschin de 48 polegadas no observatório Palomar. Crédito: Palomar/Caltech

Evento de Disrupção de Maré

Um evento de disrupção de maré ocorre quando uma estrela se aproxima demasiado de um buraco negro supermassivo. A força gravitacional intensa do buraco negro exerce uma tração diferencial sobre a estrela, dilacerando-a em pedaços. Este fenómeno liberta uma quantidade importante de energia sob a forma de radiação, frequentemente visível sob a forma de clarão luminoso. Os astrónomos estudam estes eventos para compreender como os buracos negros influenciam o seu ambiente e acumulam matéria.

O processo começa com a captura da estrela pelo campo gravitacional do buraco negro. Quando a estrela atravessa o limite de Roche, as forças de maré ultrapassam a sua própria gravidade, provocando o seu esticamento e fragmentação. Os detritos estelares formam então um disco de acreção em torno do buraco negro, aquecido a temperaturas extremas e emitindo luz. Esta fase pode durar meses ou anos, dependendo da massa da estrela e do buraco negro.

Os eventos de disrupção de maré são raros mas importantes para testar as teorias da relatividade geral e a astrofísica de altas energias. Fornecem pistas sobre a distribuição dos buracos negros supermassivos e o ciclo de vida das estrelas em várias galáxias. Além disso, ajudam a calibrar os instrumentos de observação e a preparar as futuras missões espaciais.

O estudo destes fenómenos revela também como a matéria se comporta em condições extremas, comparáveis às dos primeiros instantes do Universo. Ao observar a luz e os espetros emitidos, os cientistas podem deduzir a composição das estrelas e as propriedades dos buracos negros, enriquecendo a nossa compreensão global do cosmos.

Dilatação do Tempo Cosmológico

A dilatação do tempo cosmológico é uma previsão da teoria da relatividade geral de Einstein. Resulta da expansão do Universo em si: quanto mais um objeto astronómico está distante de nós (e portanto mais o observamos num passado distante), mais o tempo parece estar esticado, abrandado desde o nosso ponto de observação atual.

Este fenómeno foi confirmado de maneira empírica graças à observação de eventos cósmicos padronizados, como as supernovas do tipo Ia. Os astrónomos constataram que a duração da sua curva de luz (a evolução da sua luminosidade) está esticada por um fator (1+z), onde z é o desvio para o vermelho (redshift) do objeto. Isso significa que uma supernova que explode a um redshift z=1 demorará o dobro do tempo a atingir o seu pico de luminosidade e a desvanecer-se, que as supernovas similares observadas nas proximidades.

Mais recentemente, em julho de 2023, um estudo sobre a atividade variável de 190 quasares permitiu observar este efeito no Universo primitivo. Os investigadores descobriram que, quando o Universo tinha apenas cerca de mil milhões de anos, o tempo parecia decorrer cinco vezes mais lentamente do que hoje. Como explicou o astrofísico Geraint Lewis, "observamos as coisas a evoluir cerca de cinco vezes mais devagar do que hoje. É como ver um filme em câmara lenta".

É importante notar que esta dilatação não é uma ilusão devido ao tempo que a luz demora a chegar até nós. É uma propriedade fundamental do espaço-tempo em expansão. Para um hipotético observador presente nesse Universo jovem, um segundo durava exatamente um segundo. É desde o nosso referencial, vários milhares de milhões de anos no futuro, que este decurso do tempo primordial nos aparece abrandado. Esta observação reforça a validade da relatividade geral e a nossa compreensão de um Universo em expansão.

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