Os astrónomos testemunharam um evento raro em que uma estrela moribunda não explodiu como supernova e, em vez disso, colapsou directamente num buraco negro. Esta observação notável torna-se o registo observacional mais completo até à data da transformação de uma estrela num buraco negro, permitindo aos astrónomos construir uma imagem física abrangente do processo.
A estrela “morta”, chamada M31-2014-DS1, está a cerca de 2,5 milhões de anos-luz de distância da Terra e está localizada na vizinha Galáxia de Andrômeda. Uma equipa de investigação liderada por Keesarai De, investigador associado do Instituto Fratyron da Fundação Simons, combinou dados observacionais recentes com mais de dez anos de dados de arquivo para confirmar e melhorar o modelo teórico da transformação deste tipo de estrela massiva num buraco negro. As descobertas, publicadas na revista Science, estão a atrair a atenção generalizada e proporcionam um raro vislumbre das misteriosas origens dos buracos negros.
A equipe de pesquisa analisou medições da estrela do projeto NEOWISE da NASA e de outros telescópios terrestres e espaciais de 2005 a 2023. Eles descobriram que a luz infravermelha de M31-2014-DS1 começou a brilhar em 2014, depois diminuiu rapidamente em 2016, caindo muito abaixo de sua luminosidade original em apenas um ano. Observações em 2022 e 2023 mostraram que a estrela basicamente desapareceu nas bandas do visível e do infravermelho próximo, e o seu brilho caiu para um décimo milésimo do seu valor original. Seus remanescentes são atualmente detectáveis apenas no infravermelho médio e têm apenas um décimo do brilho de antes.
"Esta estrela já foi uma das estrelas mais brilhantes da Galáxia de Andrômeda, mas agora não pode ser encontrada em lugar nenhum. Imagine se Betelgeuse desaparecesse repentinamente, todos ficariam loucos! A mesma coisa aconteceu com esta estrela na Galáxia de Andrômeda", disse De. Depois de comparar estes dados observacionais com previsões teóricas, os investigadores concluíram que o dramático escurecimento da estrela para uma fração muito pequena do seu brilho total original forneceu fortes evidências de que o seu núcleo entrou em colapso e formou um buraco negro.
As estrelas fundem hidrogênio em hélio em seus núcleos, um processo que cria pressão externa para equilibrar a atração constante da gravidade para dentro. Quando estrelas massivas, com cerca de 10 vezes a massa do Sol ou mais, começam a ficar sem combustível, o equilíbrio entre as forças internas e externas é perturbado. A gravidade começa a comprimir a estrela e seu núcleo primeiro cede para formar a densa estrela de nêutrons no centro. Normalmente, a libertação de neutrinos durante este processo cria uma onda de choque poderosa o suficiente para destruir grande parte do núcleo e das camadas externas numa explosão de supernova. No entanto, se a onda de choque impulsionada pelos neutrinos não conseguir empurrar o material da estrela para fora, a teoria há muito sustenta que a maior parte do material da estrela cairá de volta na estrela de nêutrons, formando um buraco negro.
As observações e análises de M31-2014-DS1 permitiram à equipa reinterpretar as observações da estrela semelhante NGC 6946-BH1, o que levou a um avanço importante na compreensão do que acontece às camadas exteriores da estrela depois de esta não explodir como uma supernova e colapsar num buraco negro. O elemento-chave esquecido é a convecção. A convecção é um subproduto de enormes diferenças de temperatura dentro de uma estrela. O material próximo ao centro da estrela é extremamente quente, enquanto as regiões externas são muito mais frias. Esta diferença de temperatura faz com que o gás dentro da estrela se mova das áreas mais quentes para as mais frias.
À medida que o núcleo da estrela entra em colapso, o gás nas suas camadas externas ainda se move rapidamente devido à convecção. Modelos teóricos desenvolvidos por astrônomos do Instituto Fratiron mostram que isso evita que a maior parte das camadas externas caiam diretamente no buraco negro; em vez disso, as camadas mais internas orbitam em torno da periferia do buraco negro e impulsionam a ejeção das camadas mais externas na zona de convecção. A coautora Andrea Antoni, pesquisadora da Fratilone, desenvolveu anteriormente as previsões teóricas para esses modelos de convecção. “A taxa de acreção – a taxa à qual a matéria cai – é muito mais lenta do que a implosão direta da estrela”, disse ela. "Este material convectivo tem momento angular, por isso orbita o buraco negro. Em vez de cair em meses ou um ano, leva décadas. Por causa disso, torna-se uma fonte muito mais brilhante do que seria de outra forma, e observamos longos atrasos no escurecimento da estrela original."
Semelhante à água que gira em torno do ralo de uma banheira em vez de fluir diretamente para baixo, o gás que se move em torno deste buraco negro recém-formado continua a sua órbita caótica, mesmo quando é lentamente puxado para dentro. Portanto, a queda estagnada causada pela convecção impede que toda a estrela entre em colapso diretamente no buraco negro nascente. Os investigadores estimam que apenas cerca de um por cento do gás do envelope da estrela original caiu no buraco negro, alimentando a luz que emite hoje.
Ao analisar os dados observacionais de M31-2014-DS1, De e a sua equipa também reavaliaram a estrela semelhante NGC 6946-BH1, que foi classificada há 10 anos. No novo artigo, eles apresentam fortes evidências de por que esta estrela segue um padrão semelhante. M31-2014-DS1 inicialmente parecia uma “aberração”, mas agora parece ser apenas um de uma classe de objetos que inclui NGC 6946-BH1, disse De. “Somente através dessas joias de descoberta individuais é que começamos a juntar as peças do quadro”, disse De. "A luz dos detritos de poeira que rodeiam um buraco negro recém-nascido será visível durante décadas nos níveis de sensibilidade de telescópios como o Telescópio Espacial James Webb, à medida que continua a decair muito lentamente. Isto poderá, em última análise, tornar-se uma referência para a compreensão de como os buracos negros estelares se formam no Universo."