Na galáxia de Andrômeda, nossa vizinha cósmica, uma estrela 13 vezes mais maciça que o Sol desapareceu sem deixar vestígios de seu brilho característico.
Entre 2014 e 2024, o brilho da M31-2014-DS1 (o nome técnico dessa estrela supergigante) reduziu-se a apenas um décimo de milésimo de seu brilho anterior no espectro visível e no infravermelho próximo. De repente, ela tornou-se praticamente indetectável pelos instrumentos óticos atuais. O que teria acontecido?
Buraco negro ao vivo
Em um estudo publicado recentemente na prestigiada revista científica Science, pesquisadores americanos deram uma explicação para esse fenômeno: uma transformação não violenta de M31-2014-DS1 em um buraco negro estelar com cerca de 5 massas solares.
Os novos resultados desafiam as teorias tradicionais sobre a formação desses fascinantes objetos astronômicos e abrem a possibilidade de que estrelas menos maciças também terminem sua existência na forma de um buraco negro. Além disso, eles poderiam nos ajudar a identificar buracos negros estelares em regiões do Cosmos onde não há sinais de uma explosão de supernova.
Mas quais são as considerações atuais sobre a formação de buracos negros a partir de uma estrela maciça?
Uma violenta explosão estelar
A vida de uma estrela se assemelha à de um ser vivo: à medida que envelhece, ela sofre mudanças em sua estrutura e composição.
Enquanto uma estrela se encontra na sequência principal (onde passará a maior parte de sua existência), as reações de fusão nuclear em seu interior convertem o hidrogênio em hélio. Isso gera uma pressão que contrabalança a própria gravidade da estrela.
Equilíbrio hidrostático em uma estrela pertencente à sequência principal. O fluxo de energia proveniente do interior, devido à fusão nuclear de hidrogênio em hélio, fornece a pressão necessária para que a estrela não entre em colapso sob sua própria gravidade. Créditos: NASA/CXC/M.Weiss.CC BYQuando o combustível se esgota, o equilíbrio é rompido e a gravidade supera a pressão interna, provocando seu colapso. Assim, as estrelas com massa entre 15 e 20 vezes maior que a do Sol formarão um buraco negro.
Além disso, durante o colapso estelar, uma grande quantidade de neutrinos (partículas sem carga e muito leves criadas durante as reações de fusão em seu núcleo) é gerada. Como consequência, ocorre uma poderosa onda de choque que rasga a estrela em uma supernova e expele seu material estelar para o exterior.
Em um breve instante, essas explosões de supernova liberam enormes quantidades de energia, superando a emissão energética do Sol durante toda a sua existência. Seu brilho é superior ao de sua própria galáxia, sendo, em algumas ocasiões, observáveis a olho nu.
Imagem da Nebulosa do Caranguejo capturada pelo telescópio espacial James Webb. Formada a partir dos restos de uma enorme estrela moribunda que explodiu e expeliu suas camadas de gás para o espaço interestelar (uma supernova), ela está localizada a cerca de 6.500 anos-luz de nós e continua se expandindo, a uma velocidade de cerca de 1.500 km/s. Créditos: NASA, ESA, CSA, STScI, Tea Temim (Princeton University); Processamento de imagem: Joseph DePasquale (STScI).CC BYOutra hipótese, no entanto, apresenta um cenário distinto e menos violento para o destino final de uma estrela maciça. Estamos nos referindo às supernovas fracassadas.
O nascimento tranquilo de um buraco negro
Às vezes, durante a fase de colapso, a onda de choque gerada é fraca demais para expelir violentamente o material estelar para o espaço exterior. Nesse caso, a estrela implode de forma serena, transformando-se em um buraco negro sem explosão aparente (as chamadas "supernovas fracassadas").
O que acontece então com as camadas de gás mais externas? A chave está nas correntes de convecção no interior de uma estrela. Como o núcleo é extremamente quente e as camadas externas muito mais frias, geram-se correntes convectivas que impulsionam a circulação de gás entre ambas as regiões.
Quando o núcleo colapsa, o gás externo continua em movimento e as camadas mais externas são empurradas para fora. É precisamente esse movimento convectivo que impede que a maior parte do material estelar caia diretamente no buraco negro recém-formado.
Mecanismos de transferência de calor em estrelas pertencentes à sequência principal. Observe as correntes convectivas de gás nas camadas mais externas de estrelas como o nosso Sol. Créditos: Wikipedia.CC BYÀ medida que o material ejetado se afasta, sua temperatura diminui e seus átomos e moléculas começam a se combinar para formar poeira estelar. Esses grãos estelares absorvem a energia gerada pelo gás quente próximo ao buraco negro e a reemitem na forma de radiação infravermelha.
Como resultado, o novo objeto astrofísico brilha com um tom avermelhado característico, mesmo décadas após o desaparecimento da estrela original.
O escurecimento progressivo da M31-2014-DS1
Sirius, a estrela mais brilhante do céu, pertence à constelação do Cão Maior (também chamada de cão de Órion) e é visível em ambos os hemisférios até 60ºN. Créditos: Elaboração própria do autor a partir do programa Stellarium.CC BYImaginemos por um momento que a estrela mais brilhante vista da Terra, Sirius, desaparecesse completamente de nosso céu. Perderíamos um espetáculo singular tanto nas noites frias do Hemisfério Norte quanto durante o verão austral.
Algo semelhante aconteceu na galáxia vizinha de Andrômeda. A estrela supergigante vermelha M31-2014-DS1 desapareceu sem deixar praticamente nenhum vestígio.
Embora existam estrelas cujo brilho varia periodicamente, como as variáveis cefeidas ou as binárias eclipsantes, há muito poucos casos documentados de estrelas cuja intensidade diminui gradualmente até se tornarem invisíveis aos detectores astronômicos.
Nesse sentido, os pesquisadores examinaram os dados coletados por diversos observatórios espaciais e terrestres entre 2005 e 2023. Entre eles, destacamos a missão NEOWISE da NASA ou o telescópio Samuel Oschin do Observatório Palomar, na Califórnia.
Os resultados foram bastante conclusivos. A estrela M31-2014-DS1 começou a emitir luz infravermelha em 2014, aumentando seu brilho até 2016. A partir de então, este diminuiu drasticamente em menos de um ano.
Em 2022 e 2023, a estrela havia praticamente se extinguido nos comprimentos de onda do visível e do infravermelho próximo.
O espectro de luz infravermelha abrangendo comprimentos de onda entre 0,7 e 1000 mícrons (em particular, o infravermelho próximo entre 0,7 e 3 mícrons, e o infravermelho médio, entre 3 e 15 mícrons). Créditos: NASA.CC BYO que resta atualmente da extinta estrela M31-2014-DS1 só pode ser detectado na luz infravermelha média e brilha com aproximadamente um décimo de sua intensidade original.
Nesta sequência de imagens da estrela M31-2014-DS1, registradas no visível e no infravermelho próximo pelos telescópios Hubble (HST) e Keck no Havaí, a cruz amarela indica a localização desse objeto no Cosmos. Levando em conta que os tons nessas imagens estão invertidos (ou seja, tons escuros representariam maior brilho estelar), é possível observar uma clara diminuição do brilho de M31-2014-DS1 em um período de cerca de 11 anos. Créditos: Arxiv.CC BYAvanço na busca por buracos negros
Até o momento, a descoberta de buracos negros estelares concentrava-se na busca por restos de supernovas. Por se tratarem de eventos muito luminosos, sua localização no Cosmos era relativamente acessível.
Com esses novos resultados, se as supernovas fracassadas forem realmente comuns em todo o Universo, o número de buracos negros estelares poderia ser muito maior do que o esperado. Além disso, teríamos que repensar se a abundância de elementos pesados no Universo provém exclusivamente das explosões de supernovas.
Afinal, essa descoberta reescreve a forma como algumas das estrelas mais maciças chegam ao fim, sem explosão aparente.
Parece evidente que a extinção da estrela M31-2014-DS1 representará um verdadeiro avanço na astrofísica e estabelecerá as bases para uma melhor compreensão da origem não violenta dos buracos negros estelares.
Óscar del Barco Novillo não presta consultoria, trabalha, possui ações ou recebe financiamento de qualquer empresa ou organização que poderia se beneficiar com a publicação deste artigo e não revelou nenhum vínculo relevante além de seu cargo acadêmico.
