No centro de muitas galáxias grandes, existe um buraco negro supermassivo (SMBH). A nossa Via Láctea é o lar de Sagitário A*, um buraco negro supermassivo maioritariamente adormecido com uma massa de aproximadamente 4,3 milhões de vezes a do Sol. No entanto, nas profundezas do Universo, existem SMBHs ainda mais massivos, com massas até dezenas de milhares de milhões de vezes a do Sol. Os buracos negros aumentam sua massa engolindo gravitacionalmente corpos celestes próximos (incluindo estrelas).
Este é um resultado catastroficamente devastador para estrelas que tiveram o azar de serem engolidas por um buraco negro supermassivo, mas uma sorte para os cientistas, pois agora têm a oportunidade de sondar os centros das galáxias, que de outra forma estariam adormecidos.
TDE ilumina o caminho da exploração
Como o próprio nome indica, os buracos negros não emitem luz, o que os torna difíceis de serem observados pelos pesquisadores. Mas quando uma estrela se aproxima o suficiente de um buraco negro supermassivo, será destruída pelo enorme campo gravitacional de maré do buraco negro. Esta interação é na verdade um exemplo extremo da interação das marés entre a Terra e a Lua. Parte do material destruído pelas marés cairá no buraco negro, formando um disco de material muito quente e brilhante. Este processo, conhecido como evento de perturbação de marés (TDE), fornece uma fonte de luz que os cientistas podem observar e analisar com telescópios poderosos.
Os TDEs são relativamente raros – prevê-se que ocorram aproximadamente a cada 10.000 a 100.000 anos numa determinada galáxia. Normalmente, um a vinte TDEs são detectados a cada ano, mas com o advento de novas tecnologias, como o Observatório Vera C Rubin, atualmente em construção no Chile, espera-se que centenas de TDEs sejam observados nos próximos anos. Esses poderosos observatórios examinam o céu noturno em busca de fontes de luz ascendentes e descendentes para "pesquisar" fenômenos astronômicos que variam no tempo no universo. Usando essas observações, os astrofísicos podem estudar TDEs para estimar as propriedades dos SMBHs e das estrelas que eles destroem. Uma das coisas que os pesquisadores estão tentando entender é a massa das estrelas e dos SMBHs. Embora um modelo seja frequentemente utilizado, um novo modelo foi recentemente desenvolvido e está actualmente a ser testado.
O surgimento de modelos analíticos
A taxa de acreção - isto é, a taxa à qual o material estelar de uma estrela cai de volta no SMBH durante um TDE - revela características importantes da estrela e do SMBH, tais como a sua massa. O método de cálculo mais preciso é realizar simulações numéricas da dinâmica dos fluidos, usando computadores para analisar a dinâmica dos gases quando o material perturbado pelas marés no TDE chove sobre o buraco negro. Essa técnica, embora precisa, é cara e pode levar de semanas a meses para os pesquisadores calcularem um TDE.
Nas últimas décadas, os físicos desenvolveram modelos analíticos para calcular as taxas de acréscimo. Estes modelos proporcionam uma forma eficiente e económica de compreender as propriedades de estrelas e buracos negros perturbados, mas permanece incerteza quanto à precisão das suas aproximações.
Existem apenas alguns modelos analíticos, o mais famoso dos quais é provavelmente o modelo de aproximação "congelado em buraco negro"; este nome vem do fato de que o período orbital dos detritos que caem sobre um buraco negro é determinado a uma distância específica do buraco negro (chamado raio de maré), ou é "congelado no buraco negro". Este modelo, proposto por Lacey, Townes e Hollenbach em 1982 e ampliado por Lodato, King e Pringle em 2009, sugere que a taxa de acréscimo de estrelas massivas atinge o pico em uma escala de tempo de 1 a 10 anos, dependendo da massa da estrela. Isto significa que, se observada no céu noturno, uma fonte estelar pode inicialmente brilhar, atingir o pico de brilho e depois desaparecer gradualmente ao longo do tempo, em escalas de tempo de vários anos.
novo caminho a seguir
Eric Coughlin, professor de física na Syracuse University, e Chris Nixon, professor associado de astrofísica teórica na Universidade de Leeds, propuseram um novo modelo em 2022, conhecido como modelo CN22, que determina a escala de tempo de pico do TDE em função das propriedades da estrela e da massa do buraco negro. Com base neste novo modelo, recuperaram a escala de tempo de pico e a taxa de acreção do TDE, consistentes com os resultados de algumas simulações hidrodinâmicas, mas as implicações mais amplas do modelo - e as suas previsões para uma gama mais ampla de tipos de estrelas, incluindo as massas e idades das estrelas - ainda não foram totalmente elucidadas.
Para melhor descrever e compreender as previsões deste modelo num contexto mais amplo, uma equipa de investigação da Syracuse University liderada por Ananya Bandopadhyay, estudante de doutoramento no Departamento de Física, conduziu um estudo para analisar o impacto do modelo CN22 e testá-lo contra diferentes tipos de estrelas e diferentes massas de SMBHs. As descobertas da equipe foram publicadas no Astrophysical Journal Letters. Além do primeiro autor Bandopadhyay, os coautores incluem Coughlin, Nixon, alunos de graduação e pós-graduação do Departamento de Física e alunos do Departamento Escolar da Cidade de Syracuse (SCSD). A participação dos alunos do Syracuse School Board é possível por meio do Programa de Pesquisa em Física da Syracuse University (SURPh), um programa de estágio remunerado de seis semanas no qual alunos do ensino médio local participam de pesquisas de ponta com professores e alunos do departamento de física da Faculdade de Artes e Ciências.
Nos verões de 2022 e 2023, os alunos da USC colaboraram com físicos da Syracuse University em projetos computacionais para testar a validade do modelo CN22. Eles usaram um código de evolução estelar chamado Módulo Experimental de Astrofísica Estelar para estudar a evolução das estrelas. Usando estes perfis, eles compararam a aproximação “congelada” e as previsões do modelo CN22 de taxas de acreção para uma gama de massas e idades estelares. Eles também realizaram uma simulação numérica hidrodinâmica da destruição de uma estrela semelhante ao Sol por um buraco negro supermassivo para comparar as previsões do modelo com taxas de acreção derivadas numericamente.
Resultados da pesquisa
Segundo Bandopadhyay, a equipe descobriu que o modelo CN22 estava em boa concordância com as simulações de dinâmica de fluidos. Além disso, e talvez o mais importante, o estudo descobriu que a escala de tempo de pico da taxa de acreção no TDE é muito insensível às propriedades (massa e idade) da estrela destruída, sendo a escala de tempo de pico de cerca de 50 dias para uma estrela como o Sol que foi destruída por um buraco negro com uma massa de Sagitário A*.
O que é mais impressionante e surpreendente neste resultado é que o modelo “congelado” fez previsões muito diferentes. De acordo com o modelo "congelado", a taxa de proliferação produzida pelo mesmo TDE atingirá o pico numa escala de tempo de dois anos, o que é claramente inconsistente com os resultados da simulação hidrodinâmica.
"Isto anula noções anteriores sobre como funcionam os TDEs e os tipos de transientes que podem resultar da destruição total de estrelas," disse Bandopadhyay. “Ao confirmar a precisão do modelo CN22, demonstramos que esta abordagem analítica pode acelerar significativamente as inferências sobre as propriedades observáveis da destruição de estrelas com diferentes massas e idades.”
O seu estudo também derrubou ideias anteriores de que os TDEs poderiam ser usados para explicar curvas de luz de longa duração que atingem o pico e decaem ao longo de períodos de vários anos. Além disso, Coughlin também destacou que este artigo verificou que a taxa de pico de fallback é, na verdade, independente da massa e da idade da estrela destruída, e é quase inteiramente determinada pela massa do SMBH.
"Se você medir o tempo de ascensão, o que você pode observar diretamente são, na verdade, as propriedades do buraco negro supermassivo. Este é o objetivo da física TDE, que é usar o TDE para explicar algumas condições do buraco negro", disse Coughlin.
Dado o impacto do artigo no campo, a Sociedade Astronómica Americana convidou Bandopadhyay para apresentar os resultados da investigação da equipa na 243ª reunião da sociedade em Nova Orleães, no dia 11 de janeiro de 2024.
Olhando para o futuro, a equipe afirma que, ao confirmar a precisão do modelo CN22, este estudo abre uma janela para os pesquisadores fazerem previsões observáveis de TDEs e testá-las em relação às detecções existentes e futuras. Através da colaboração e da engenhosidade, os investigadores da Syracuse University estão a revelar os detalhes da física dos buracos negros e a ajudar a explorar regiões outrora indetectáveis do universo distante.
Fonte compilada: ScitechDaily