As estrelas mais massivas do universo geralmente terminam suas vidas em explosões espetaculares conhecidas como supernovas, antes de colapsarem em buracos negros. Mas uma estrela massiva parece ter tido um destino muito diferente. Em vez de explodir, ele passa muito perto de um buraco negro supermassivo, que o despedaça e o devora.
Esse cenário é a melhor explicação para uma nova descoberta Astronomia da Natureza Estudo descreve a explosão de energia mais forte e distante já vista em um buraco negro supermassivo. O objeto foi detectado pela primeira vez em 2018 pelo Zwicky Transient Facility (ZTF), uma pesquisa do céu financiada pela US National Science Foundation (NSF) e realizada no Observatório Palomar da Caltech. Também foi rastreado pelo Catalina Real-Time Transient Survey, outro projeto Caltech financiado pela NSF. A erupção aumentou dramaticamente – por um factor de 40 em poucos meses – e no seu pico foi 30 vezes mais brilhante do que qualquer erupção anterior de buraco negro. Na intensidade máxima, brilhou tanto quanto 10 trilhões de sóis.
Um vislumbre do universo primitivo
O buraco negro responsável é um núcleo galáctico ativo (AGN), um tipo de buraco negro que se alimenta ativamente da matéria circundante. Conhecido como J2245+3743, este AGN é estimado em 500 milhões de vezes a massa do Sol e a cerca de 10 mil milhões de anos-luz da Terra. Como a luz leva tempo para percorrer distâncias tão grandes, os astrónomos consideram que o fenómeno ocorreu quando o Universo era jovem.
“Stronger mostra que este objeto é muito distante e muito brilhante”, disse Matthew Graham, professor pesquisador de astronomia na Caltech e cientista do projeto na ZTF, principal autor do estudo. “Isso é diferente de qualquer AGN que já vimos.”
Embora a explosão esteja desaparecendo lentamente, os astrônomos continuam a observá-la. O próprio tempo se move de maneira diferente nessas distâncias – um fenômeno conhecido como dilatação do tempo cósmico. Como explica Graham, “a luz viaja através da extensão do espaço para chegar até nós, seus comprimentos de onda são estendidos tanto quanto o tempo”. Por esta razão, pesquisas do céu de longo prazo, como ZTF e Catalina, são cruciais. “Sete anos aqui são dois anos ali. Estamos vendo o evento ser disputado a um quarto de velocidade”, acrescentou.
A estrela que foi dilacerada
Para descobrir o que poderia ter causado esta explosão extraordinária, os investigadores examinaram várias possibilidades e determinaram a causa provável de um evento de perturbação de marés (TDE). Um TDE ocorre quando uma estrela passa muito perto de um buraco negro supermassivo e é desmembrada pela sua enorme gravidade. O material estelar é lentamente extraído e consumido. Como a explosão de J2245+3743 ainda é visível, os astrônomos acreditam que o buraco negro está no meio da refeição, “a meio caminho da garganta de uma baleia como um peixe”, disse Graham.
Se esta interpretação estiver correta, a estrela destruída era pelo menos 30 vezes maior que o Sol. O recordista anterior do maior TDE conhecido — um evento apelidado de Scary Barbie — era cerca de 30 vezes mais fraco e envolvia uma estrela com apenas três a dez vezes a massa do Sol.
Um buraco negro em alimentação é um evento raro dentro de um disco
A maioria dos cerca de 100 TDEs conhecidos não ocorreu em sistemas AGN, que já estão rodeados por discos densos e rotativos de material que alimentam o buraco negro central. Esses ambientes claros geralmente mascaram outros eventos, dificultando a detecção dos TDEs. No entanto, o brilho absoluto do J2245+3743 deixa isso claro.
Inicialmente, os astrônomos não viram nada de incomum. Quando o objeto foi detectado pela primeira vez em 2018, os espectros obtidos com o Telescópio Hale de 200 polegadas no Observatório Palomar não mostravam características especiais. Mas em 2023, o surto esperado estava a desaparecer mais lentamente. Um espectro de acompanhamento do Observatório WM Keck no Havaí revelou o brilho extremo do AGN.
Confirmando o clarão mais brilhante já registrado
“Primeiro, era importante estabelecer que este objeto extremo era realmente tão brilhante”, disse a coautora Kay Savic Ford, do Centro de Pós-Graduação da City University of New York (CUNY), do Borough of Manhattan Community College e do Museu Americano de História Natural (AMNH). Ford explicou que uma opção era que a luz do clarão estivesse irradiando diretamente para a Terra, mas os dados da antiga missão Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) da NASA descartaram isso. Depois de descartar outras possibilidades, a equipe concluiu que J2245+3743 representa a erupção de buraco negro mais brilhante já vista.
“Se você convertesse todo o nosso Sol em energia usando a famosa fórmula E = mc2 de Albert Einstein, essa seria a quantidade de energia que jorrou desta explosão desde que começamos a observá-la”, observa Ford.
Destruição de uma estrela por uma supernova
Depois de verificar a intensidade recorde da explosão, os investigadores exploraram a sua origem. “As supernovas não são brilhantes o suficiente para isso”, disse Ford. A explicação mais consistente é um buraco negro supermassivo destruindo lentamente uma estrela massiva.
“Estas estrelas massivas são raras,” acrescentou Ford, “mas pensamos que as estrelas dentro do disco de um AGN podem tornar-se massivas. O material do disco é atirado para as estrelas, fazendo-as crescer em massa.”
Procurando por mais gigantes cósmicos
A descoberta de um buraco negro engolindo uma estrela tão massiva sugere que eventos semelhantes podem estar ocorrendo em outras partes do universo. A equipa de investigação planeia pesquisar mais dados da ZTF para identificar outros exemplos, e futuros observatórios, como o NSF e o Vera C. do Departamento de Energia. O Observatório Rubin também pode descobrir TDEs extra grandes.
“Em primeiro lugar, não teríamos encontrado este evento raro se não fosse pela ZTF”, disse Graham. “Há sete anos que observamos o céu com a ZTF, por isso, quando vemos algo brilhar ou mudar, podemos ver o que aconteceu no passado e como irá evoluir.”
A equipe por trás da descoberta
O estudo, intitulado “Uma explosão incrivelmente brilhante registrada de um buraco negro supermassivo”, foi apoiado pela NSF, pela Fundação Simmons, pela NASA e pela Fundação Alemã de Pesquisa. Os co-autores incluem os pesquisadores da Caltech Andrew Drake, Yuanze Ding (MS ’25), Mansi Kasliwal (PhD ’11), Sam Rose, Gene Somalwar (atualmente pós-doutorado na UC Berkeley), George Georgovsky, Sri Kulkarni e Ashish Mahabal; Tracy Chen e Steven Groom, do Centro de Astronomia IPAC da Caltech; e Daniel Stern do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (dirigido pela Caltech). Contribuintes adicionais incluem Barry McKernan (CUNY Graduate Center, Borough of Manhattan Community College e AMNH); Matteo Cantiello (Instituto Flatiron e Universidade de Princeton); Mike Koss (Eureka Scientific); Raffaella Margutti (UC Berkeley); Phil Wiseman (Universidade de Southampton, Reino Unido); Patrick Veres (Universidade do Ruhr, Alemanha); e Eric Bellum (Universidade de Washington).
O ZTF da Caltech é financiado pela NSF e parceiros internacionais, com apoio adicional da Fundação Heising-Simmons e da Caltech. Os dados são processados e arquivados pelo IPAC da Caltech, e a NASA financia a busca da ZTF por objetos próximos à Terra por meio de seu Programa de Observação de Objetos Próximos à Terra.
