Quando uma estrela desaparece na garganta de um buraco negro, o flash é apenas o começo do show.

Uma estrela condenada faz uma aproximação de um buraco negro no conceito deste artista. As forças extremas de maré exercidas pela gravidade do buraco negro estão dilacerando a estrela. Crédito da imagem: Mark A. Garlick

Eu acordo com um toque do meu smartphone. Com os olhos turvos, eu verifico... e acordei ao ver um e-mail automático do rádio telescópio MeerKAT na África do Sul.

A linha de assunto diz: “AT 2018xxx 2hr foi concluído” A mensagem diz-me que, enquanto dormia, o MeerKAT observou um alvo durante duas horas e, após algum processamento inicial da imagem, a observação está agora pronta para mim nos arquivos. Tudo o que resta para mim, a meio mundo de distância em Cambridge, Massachusetts, é entrar na Internet e fazer o download.

A sedução de uma potencial descoberta me acorda mais do que um bule de café poderia fazê-lo. Pode ser isso! Um rádio astrônomo moderno não precisa viajar para terras distantes para coletar os dados por conta própria, possivelmente menos romântico. Mas a emoção da antecipação e da descoberta permanece a mesma, não importa onde você esteja na Terra.

Eu tamborilo meus dedos enquanto espero meu laptop carregar a imagem, a excitação crescendo enquanto eu me pergunto o que estou prestes a ver. Existem muitas estrelas e galáxias neste pedaço de céu, mas isso é apenas uma fachada. A verdadeira emoção passaria despercebida pelo olho destreinado: uma minúscula coleção de pixels discretos no meio da imagem. É a luz do suspiro final de uma estrela quando um buraco negro supermassivo no centro de uma galáxia fica violento, separando a estrela e canibalizando-a. Um evento de interrupção de maré (TDE), como essas ocorrências são chamadas, é um dos eventos mais energéticos e luminosos do universo. Mas poucos são fáceis de encontrar e ainda menos, emitem as ondas de rádio essenciais para compreendê-los. Cada nova descoberta é preciosa.

E em apenas mais alguns minutos, serei a única pessoa na Terra a saber se, para esta fonte, existe um sinal de rádio. Eu tamborilo meus dedos mais rápido.

O conjunto de 64 pratos do radiotelescópio MeerKAT está localizado na região de Karoo, na África do Sul, na província do Cabo Setentrional. Crédito da imagem: Observatório Sul-Africano de Radioastronomia (SARAO)

Dilacerado

A história de um TDE começa no coração de uma galáxia, perto da borda de um buraco negro supermassivo com milhões ou bilhões de vezes a massa do Sol. Os astrônomos acreditam que praticamente todas as grandes galáxias têm um desses buracos negros em seu centro. Essas monstruosidades gravitacionais desempenham um papel fundamental na formação de suas galáxias hospedeiras e exercem grande influência em seus arredores.

Os buracos negros são tão densos que nem a luz consegue escapar de sua gravidade. Mas, apesar das concepções populares, eles não sugam material da mesma forma que o Sol não absorve os planetas que o orbitam. Por exemplo, se o Sol se comprimisse repentinamente em um buraco negro, ele encolheria para apenas 4 milhas (6 quilômetros) de diâmetro, mas os planetas continuariam a orbitar como estão atualmente porque sua massa não mudaria.

A gravidade de um buraco negro funciona da mesma maneira. Quando os astrônomos olham para o centro de nossa própria galáxia, a Via Láctea, vemos mais de uma dúzia de estrelas orbitando um ponto comum, onde reside o buraco negro supermassivo de nossa galáxia, chamado Sagitário A* (Sgr A*). Na verdade, os astrônomos observam Sgr A* há tanto tempo que viram a estrela mais interna, S2, completar uma órbita completa, o que leva 16 anos. Depois de estabelecer os parâmetros orbitais de S2, os pesquisadores aplicaram a terceira lei do movimento planetário de Kepler para calcular a massa de Sgr A*, que atinge colossais 4 milhões de massas solares. Embora o cálculo final tenha sido simples, o trabalho para obter os dados ao longo de tantos anos não foi, na verdade, ele deu aos astrônomos Andrea Ghez e Reinhard Genzel o Prêmio Nobel de Física de 2020.

S2 parece estar em uma órbita estável por enquanto, mas os pesquisadores estimam que milhares de estrelas, incluindo remanescentes estelares como estrelas de nêutrons e anãs brancas, também orbitam Sgr A*. Quando dois desses objetos se encontram de perto, sua gravidade perturba as órbitas um do outro e eles partem para novas trajetórias. Muitas dessas órbitas permanecem estáveis, ou talvez projetem a estrela para fora do centro da galáxia. Mas, em raras ocasiões, a nova órbita de uma estrela a envia para dentro, em rota de colisão com o desastre.

As forças das marés que atuam sobre uma estrela perto de um buraco negro a destroem em um processo chamado spagetificação, descrito nesta simulação. Conforme a matéria é retirada da estrela, ela forma caudas de maré dramáticas e, eventualmente, um disco de acreção (no canto inferior esquerdo). Crédito da imagem: J. Guillochon e E. Ramirez-Ruiz

À medida que a estrela condenada se aproxima do buraco negro supermassivo, ela começa a experimentar forças de maré: Como a gravidade é mais forte perto de um objeto, o buraco negro atrai com mais força o lado próximo da estrela do que o lado oposto. Eventualmente, quando a estrela atinge uma certa distância do buraco negro - o raio da maré - a diferença na força de um lado para o outro torna-se maior do que a autogravidade da estrela que a mantém unida.

Quando isso acontece, “a estrela se estica ao longo de sua direção de movimento”, explica Enrico Ramirez-Ruiz, astrofísico da Universidade da Califórnia em Santa Cruz, especialista em teoria de TDE. A estrela se deforma de sua esfera normal para oval e, em seguida, em um longo e fino riacho. Este processo é denominado espaguetificação. À medida que isso ocorre, a densidade da estrela diminui e a fusão em seu núcleo é totalmente interrompida. Embora uma estrela possa levar milhões de anos para se formar e brilhar por mais bilhões, esse desdobramento final leva apenas algumas horas.

A caça aos TDEs

O que acontece depois? “Metade do material da estrela cai e forma um disco de acreção ao redor da estrela”, explica Ramirez-Ruiz, “e a outra metade é ejetada”. O material do disco cai no buraco negro e o alimenta, gerando um sinal luminoso que pode ser visto a grandes distâncias antes de passar pelo horizonte de eventos do buraco negro (onde a luz não pode mais escapar).

À primeira vista, esses eventos deslumbrantes podem se assemelhar a uma supernova, uma estrela massiva que explode no final de sua vida quando seu combustível se esgota. Para distinguir TDEs de supernovas, os astrônomos ficam de olho em duas coisas. Primeiro, eles procuram por um clarão brilhante no centro de uma galáxia cujo buraco negro supermassivo estava anteriormente adormecido. Em seguida, eles quebram a luz por comprimento de onda e estudam seu espectro para ver quais elementos ela contém. Ao contrário de uma supernova, os elementos observados em uma explosão TDE são semelhantes aos das estrelas da sequência principal que ainda estão queimando com força. Se seu flare se encaixa em ambos os critérios, você tem um potencial TDE em suas mãos!

Jatos relativísticos saem de um buraco negro supermassivo no coração da galáxia Centaurus A nesta foto-ilustração, atingindo o material ao redor. Crédito da imagem: ESA / Hubble, L. Calçada (ESO)

Os astrônomos identificaram os primeiros candidatos a TDE na década de 1990. Nos últimos anos, encontrá-los ficou mais fácil graças aos levantamentos automáticos do céu que examinam o céu noturno em busca de objetos transitórios, sinais que mudam no céu com o tempo, em vez de permanecerem constantes. Ainda assim, até o momento, observamos apenas cerca de 100 TDEs.

Isso porque os TDEs são raros. Os astrônomos estimam que uma galáxia como a Via Láctea tem um TDE não mais do que uma vez a cada 100.000 anos. As supernovas, por outro lado, em uma galáxia como a nossa ocorrem aproximadamente uma vez por século.

Uma foto incrível

Provavelmente, o TDE mais famoso até agora ocorreu em 2011, quando o Observatório Neil Gehrels Swift da NASA detectou uma estranha explosão de radiação no centro de uma galáxia a 3,8 bilhões de anos-luz de distância. O Swift foi lançado em 2004 para estudar explosões de raios gama, explosões de radiação imensamente energéticas que ocorrem durante uma supernova ou fusão de estrelas de nêutrons. Mas, ao contrário dessas explosões, que não duram mais do que alguns minutos, essa radiação simplesmente continuou. “Era diferente de tudo que havíamos visto antes”, lembra Joshua Bloom, astrônomo da Universidade da Califórnia, Berkeley, que foi o principal investigador do sinal.

Logo, telescópios abrangendo todo o espectro eletromagnético foram apontados para o Swift J1644+57, como o evento veio a ser conhecido. Diferentes processos físicos emitem diferentes tipos de radiação e, muitas vezes, a chave para desvendar um mistério astronômico reside na observação de tantos comprimentos de onda quanto possível.

Uma fina corrente de material de uma estrela interrompida por maré é puxada para um disco de acreção ao redor de um buraco negro nesta ilustração. Crédito da imagem: DESY, Laboratório de Comunicação Científica

Uma imagem incrível emergiu: um TDE ocorreu ao redor de um buraco negro anteriormente adormecido e, como parte desse processo, o TDE de alguma forma lançou um jato de material viajando perto da velocidade da luz, tão rápido que as leis da relatividade devem ser consideradas. Este jato relativístico foi apontado diretamente para a Terra e os astrônomos estavam olhando diretamente para o feixe. “Foi uma das minhas únicas vezes como astrônomo em que tive um momento 'ah-ha!', e todas as pequenas peças começaram a se encaixar na minha cabeça”, lembra Bloom. “Não tínhamos todos os detalhes ainda, mas, observacionalmente e teoricamente, parecia que tínhamos obtido sucesso”

Em comprimentos de onda de raios-X, os astrônomos notaram um padrão consistente de subida e descida no brilho do TDE. Eles perceberam que eram explosões de material fragmentado caindo no buraco negro, abastecendo o jato constantemente. Outra informação importante veio dos comprimentos de ondas de rádio. Ao medir a intensidade do sinal em várias frequências, os astrônomos puderam extrair uma gama de informações. Isso incluía a energia do jato, bem como o raio da onda de choque que criava os sinais de rádio e até mesmo a densidade do material que estava atravessando. Finalmente, observações ópticas confirmaram a localização da própria fonte: bem no centro da galáxia hospedeira, onde um buraco negro supermassivo se escondia.

Então, depois de cerca de um ano e meio dessa atividade, o sinal de raios X caiu repentinamente, a ponto de Swift não poder mais detectá-lo. Os astrônomos perceberam que tinham acabado de testemunhar outro evento incrível, o jato sendo desligado. Normalmente, os jatos relativísticos de buracos negros duram milhares de anos, pelo menos. O fato de que este durou menos tempo do que Marte leva para orbitar o Sol, foi sem precedentes e uma bênção para os astrônomos que trabalham para desvendar seus mistérios.

Assim que o jato foi desligado, a onda de choque do Swift J1644+57 diminuiu lentamente em energia. A emissão de raios-X tinha-se ido, mas a explosão ainda tem potência suficiente para enviar ondas de rádio que o Very Large Array (VLA) no Novo México pode estudar por 100 anos. Eu sei disso porque eu mesmo fiz a análise.

A MORTE DE UMA ESTRELA: 1) Os eventos de interrupção da maré começam com uma estrela orbitando um buraco negro supermassivo no coração de uma galáxia. Se ela tiver um encontro próximo com outra estrela, pode ser lançada em um mergulho mortal em direção ao buraco negro. 2) À medida que a estrela se aproxima do buraco negro, as forças das marés começam a crescer, distorcendo a estrela - o processo de espaguetificação. 3) Eventualmente, as forças de maré tornam-se mais fortes do que a autogravidade da estrela, separando a estrela. Parte do material estelar desmontado forma um disco de acreção ao redor do buraco negro e parte dele é lançado ao espaço. 4) Conforme a matéria gira em torno do buraco negro, os campos magnéticos concentram parte do material em um jato poderoso, cujas partículas viajam perto da velocidade da luz. Isso cria ondas de choque dentro do jato que produzem feixes intensos de raios-X e ondas de rádio. Crédito da imagem: ROEN KELLY/Astronomy

Comecei meu Ph.D. em astronomia em 2011, com o objetivo de se especializar em radioastronomia transitória. (Eu queria ser um astrônomo de rádio desde que li Contact de Carl Sagan quando era adolescente, então essa foi uma escolha inevitável.)

Quando ouvi falar do Swift J1644+57, fiquei impressionada com a quantidade de informações que o sinal de rádio continha. Quando terminei meu doutorado, e surgiu a oportunidade de me tornar um pós-doutorado em Harvard com o grupo que havia feito a análise inicial do Swift J1644+57, eu agarrei - e comecei a analisar os dados mais recentes sobre o TDE. Claro, eu estava anos atrás dos fogos de artifício principais e dava muito trabalho, mas mesmo assim eu parava de vez em quando para me maravilhar com a minha sorte.

Os grandes mistérios

Quando as pessoas ouvem que sou um astrônoma, muitas vezes me perguntam qual é a pergunta sem resposta mais interessante do universo. A resposta honesta é que frequentemente é nisso que estou trabalhando naquele momento, quanto mais você pesquisa um assunto, mais aprecia suas complexidades.

Então aqui está o mistério sobre TDES em geral, e Swift J1644+57, em particular, que me mantém perguntando: Embora seja o melhor estudo TDE no registro, Swift J1644+57 não foi previsto e não é de todo como outros TDES que nós já vimos. Era mil vezes mais luminoso em ondas de rádio do que outros TDEs e mais de 10.000 vezes mais energético, graças ao seu jato relativístico. Por outro lado, em um TDE "comum", o material tende a fluir em todas as direções com níveis de energia semelhantes aos que vemos em uma explosão de supernova, ainda incrível e impressionante, é claro, mas é um pouco como comparar uma explosão convencional com uma bomba nuclear.

Cada objeto circulado nesta imagem de rádio MeerKAT é um buraco negro supermassivo recém-descoberto pelo telescópio, disparando jatos relativísticos para o espaço. A imagem é uma visão de campo amplo medindo 1,78 graus quadrados. Crédito da imagem: Yvette Cendes / SARAO

Coincidentemente, Swift detectou mais dois TDEs com jato em 2011, mas em distâncias muito maiores, então eles não puderam ser estudados em detalhes. Caso contrário, todas os TDEs que vimos caíram na categoria comum. Nesse ritmo, parece que apenas 1 por cento de todas os TDEs lançam um jato relativístico, e ainda não entendemos o que torna esses TDEs tão especiais. Talvez a estrela se desvincule particularmente rápido ou os campos magnéticos ao redor do buraco negro sejam extraordinariamente altos, mas sem mais eventos, é difícil saber com certeza.

Outro mistério sobre os TDEs que me mantém pensando é que, embora saibamos que muitos materiais caem em buracos negros, muitos também não caem. “Sabemos que os buracos negros supermassivos são comedores complicados”, brinca minha colaboradora Kate Alexander, astrônoma da Northwestern University. Como o material restante interage com o ambiente circundante ainda é uma questão em aberto.

Se quisermos entender os TDEs e como esses buracos negros moldam seus ambientes, precisamos acompanhar o máximo de novos eventos e em tantos comprimentos de onda, quanto possível. Até agora, menos da metade dos TDEs conhecidos foram detectados com sinais de rádio.

Alexander espera mudar isso e supervisiona um grande programa de observação no VLA (do qual também participo) para acompanhar todos os novos TDEs descobertos em nosso universo local. O programa tem o direito de “acionar” o VLA sempre que um novo TDE é descoberto por outra instalação em outro comprimento de onda, isto é, interromper a programação de nossas próprias observações urgentes para coletar mais dados sobre TDEs próximos.

Duas galáxias brilhantes lançam jatos relativísticos nesta imagem de rádio MeerKAT. A galáxia superior está a cerca de 240 milhões de anos-luz de distância; a galáxia inferior está a cerca de 130 milhões de anos-luz de distância. Crédito da imagem: Yvette Cendes / SARAO

Novos olhares

No entanto, o VLA não pode fazer esse trabalho sozinho. De sua localização no Novo México, ele não pode ver cerca de um terço do céu do sul. Na verdade, até os últimos anos, todos, exceto os TDEs mais brilhantes, não eram observáveis nos céus do Sul porque não havia instalações tão sensíveis quanto o VLA com a visão correta.

Felizmente, esta situação está mudando rapidamente, graças a novos telescópios como o MeerKAT. Composto por 64 antenas na região de Karoo, na África do Sul, é tão sensível quanto o VLA. Eventualmente, ele se tornará parte do Square Kilometer Array, que será o mais poderoso radiotelescópio da Terra uma vez concluído em 2030, e compreenderá pratos espalhados pela África do Sul e Austrália.

O MeerKAT viu a primeira luz em 2016 e, quando foi feita a primeira chamada para propor observações com o MeerKAT, agarrei a chance. Meus alvos? Meia dúzia de TDEs, a maioria dos quais nunca tinha sido observada em comprimentos de onda de rádio.

A região ao redor do centro da Via Láctea tem duas bolhas enormes de gás quente sendo sopradas (para cima e para baixo) Crédito da imagem: Observatório Sul-Africano de Radioastronomia (SARAO)

E foi assim que me vi acordando em uma manhã com o toque de um celular acionado por um radiotelescópio a meio mundo de distância.

Tive a sorte de usar uma dúzia de rádios telescópios diferentes em minha carreira, mas ficou claro desde o início que o MeerKAT é diferente. Estou acostumado com fontes que aparecem como bolhas sem características, mas os detalhes e o amplo campo das imagens do MeerKAT as tornam inquestionavelmente as mais bonitas que já vi, uma grande faixa de céu com dezenas de pequenas galáxias flutuando no espaço. Não é diferente do Hubble Deep Field, mas em vez da luz visível das estrelas que o Hubble vê, as galáxias nas imagens de rádio do MeerKAT são alimentadas por buracos negros supermassivos que vivem em seus centros interagindo com gás e poeira perdidos. Esses encontros são eventos estáveis e de baixa energia que alimentam a maioria dos buracos negros do universo.

Ainda assim, eles não são o que eu procuro.

Finalmente, a imagem do MeerKAT carrega no meu laptop. Faço uma pausa para absorver a coisa toda, parece que estou flutuando no espaço, mesmo que apenas por um momento, antes de aumentar o zoom para o centro. E lá! Uma mancha de luz no centro, o clarão de uma estrela moribunda cujos restos estão sendo engolidos por um buraco negro, suspenso sozinho no meio do oceano cósmico.

Eu sorrio e começo a planejar as próximas etapas da minha análise. O fim da jornada desta estrela significa o início da minha tentativa de desvendar sua história, e há muito trabalho a ser feito.

Artigo originalmente escrito por Yvette Cendes. Yvette é pós-doutorado em astronomia no Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian, onde trabalha com sinais de rádio das maiores explosões do universo!

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Referência:

CENDES, Yvette. How do black holes swallow stars? Astronomy, 08, dez. 2021. Disponível em: <https://astronomy.com/magazine/news/2021/12/how-do-black-holes-swallow-stars>. Acesso em: 15, dez. 2021.