Os astrônomos observaram diretamente que uma morte em massa evita uma explosão de supernova e, em vez disso, colapsa em um buraco negro. Este evento fornece o conjunto de observações mais detalhado já feito de uma estrela que fez essa transição, dando aos investigadores uma visão invulgarmente completa de como os buracos negros estelares se formam.
Ao combinar dados recentes do telescópio com mais de uma década de observações arquivadas, os cientistas conseguiram testar e refinar teorias de longa data sobre como as estrelas mais massivas terminam as suas vidas. Em vez de explodir numa supernova brilhante, o centro desta estrela cedeu sob a gravidade e criou um buraco negro. No processo, suas camadas externas instáveis foram gradualmente empurradas para fora.
Resultados, divulgados em 12 de fevereiro ciênciaestão atraindo a atenção porque oferecem uma visão rara do nascimento de um buraco negro. As descobertas podem ajudar a explicar por que algumas estrelas massivas explodem dramaticamente no final das suas vidas, enquanto outras entram em colapso silenciosamente.
“Este é apenas o começo da história”, disse Kishaloy Dey, pesquisador associado do Flatiron Institute da Fundação Simons e principal autor do novo estudo. A luz dos detritos poeirentos que rodeiam o buraco negro nascente, diz ele, “será visível durante décadas ao nível de sensibilidade de telescópios como o Telescópio Espacial James Webb, porque irá desaparecer muito lentamente. E poderá ser uma referência para a compreensão de como os buracos negros estelares se formam no Universo.”
O desaparecimento de M31-2014-DS1 em Andrômeda
A estrela, conhecida como M31-2014-DS1, estava localizada a cerca de 2,5 milhões de anos-luz de distância, na Galáxia de Andrômeda. Dee e colegas examinaram dados recolhidos entre 2005 e 2023 pela missão NEOWISE da NASA juntamente com outros telescópios terrestres e espaciais. Eles descobriram que a estrela começou a brilhar no infravermelho em 2014. Depois, em 2016, o seu brilho caiu drasticamente em menos de um ano.
Em 2022 e 2023, a estrela quase desapareceu nos comprimentos de onda do visível e do infravermelho próximo, diminuindo para apenas dez milésimos do seu brilho anterior nessas bandas. O que resta agora só pode ser detectado na luz infravermelha média, onde brilha com cerca de um décimo da sua intensidade original.
Dee disse: “Esta estrela era a estrela mais brilhante da galáxia de Andrômeda e agora não pode ser vista em lugar nenhum. Imagine se a estrela Betelgeuse desaparecesse de repente. Todos perderiam a cabeça! A mesma coisa aconteceu com esta estrela na galáxia de Andrômeda.”
Quando a equipa comparou as observações com as previsões teóricas, concluiu que uma diminuição tão extrema no brilho indicava fortemente que o núcleo da estrela tinha colapsado e formado um buraco negro.
Por que algumas estrelas massivas não explodem
Eles brilham porque a fusão nuclear em seus núcleos converte hidrogênio em hélio, criando uma pressão externa que neutraliza a gravidade. Em estrelas pelo menos 10 vezes mais massivas que o nosso Sol, este equilíbrio acaba por se desintegrar quando o combustível nuclear se esgota. A gravidade então supera a pressão externa, fazendo com que o núcleo entre em colapso e forme uma densa estrela de nêutrons.
Em muitos casos, a inundação de neutrinos emitida durante este colapso cria uma poderosa onda de choque que desintegra a estrela numa supernova. Mas se essa onda de choque for demasiado fraca para ejetar o material circundante, grande parte da estrela pode ser atirada de volta para dentro. Os modelos teóricos há muito que sugerem que esta alternativa poderia transformar a estrela de neutrões num buraco negro.
“Sabemos há quase 50 anos que existem buracos negros”, disse Dee, “mas não entendemos quais estrelas se tornam buracos negros e como o fazem.”
A convecção desempenha um papel fundamental
Um estudo detalhado de M31-2014-DS1 ajudou os investigadores a revisitar um objeto semelhante, NGC 6946-BH1, que foi identificado há uma década. A reanálise de ambos os casos revela um importante elemento que falta na compreensão do que acontece às camadas exteriores de uma estrela após uma supernova falhada. A resposta está na circulação.
A convecção ocorre a partir de grandes diferenças de temperatura dentro de uma estrela. O núcleo está extremamente quente, enquanto as camadas externas são muito mais frias. Esse contraste impulsiona a circulação de gases entre as regiões quentes e frias.
Quando o núcleo entra em colapso, o gás externo ainda está ativo devido a esse processo de agitação. De acordo com modelos desenvolvidos no Flatiron Institute, este movimento evita que a maior parte do material exterior afunde diretamente no buraco negro. Em vez disso, algumas das camadas internas circundam o buraco negro, enquanto as camadas externas empurram para fora.
À medida que o material ejetado se afasta, ele esfria. Em baixas temperaturas, átomos e moléculas se combinam para formar partículas de poeira. Essa poeira bloqueia a luz do gás quente perto do buraco negro, absorvendo a energia e reemitindo-a em comprimentos de onda infravermelhos. O resultado é um brilho avermelhado duradouro que pode durar décadas após o desaparecimento da estrela original.
A coautora e pesquisadora da Flatiron, Andrea Antoni, desenvolveu a estrutura teórica por trás desses modelos de convecção. Com base nas novas observações, ele disse: “A taxa de acreção – a taxa de colapso do material – é muito mais lenta do que se a estrela tivesse entrado diretamente. Este material condutor tem momento angular, por isso gira em torno do buraco negro. Demora décadas, não meses ou um ano, para cair. E por causa de tudo isto, pode ser uma fonte brilhante, podemos fazê-la durar mais tempo. O desvanecimento da estrela original.”
Tal como a água que flui por um ralo, o gás continua a orbitar o buraco negro recém-formado à medida que a gravidade o puxa lentamente para dentro. Este colapso retardado significa que a estrela inteira não entra em colapso de uma só vez. Mesmo depois de o núcleo ceder rapidamente, alguns elementos regressam lentamente ao longo de muitas décadas.
Os investigadores estimam que cerca de um por cento do envelope exterior do núcleo da estrela eventualmente alimenta o buraco negro, produzindo a luz fraca ainda observada hoje.
Criando uma visão mais ampla da formação de buracos negros
Ao analisar o M31-2014-DS1, a equipe também reexaminou o NGC 6946-BH1. O novo estudo fornece fortes evidências de que ambas as estrelas seguiram o mesmo caminho. O que inicialmente parecia ser um caso incomum agora faz parte de uma categoria maior de supernovas fracassadas que silenciosamente criam buracos negros.
M31-2014-DS1 inicialmente se destacou como um “excêntrico”, disse Day, mas agora parece ser um dos vários exemplos, incluindo NGC 6946-BH1.
“É somente com essas joias individuais de descoberta que começamos a montar esse quadro”, disse Day.
