Centenas de milhões de anos-luz de distância em uma galáxia distante, uma estrela orbitando um buraco negro supermassivo está sendo violentamente dilacerada sob a imensa atração gravitacional do buraco negro. À medida que a estrela é fragmentada, seus restos são transformados em um fluxo de detritos que chove de volta ao buraco negro para formar um disco de material muito quente e brilhante girando em torno do buraco negro, chamado de disco de acreção. Este fenômeno – onde uma estrela é destruída por um buraco negro supermassivo e alimenta uma explosão de acreção luminosa – é conhecido como um evento de ruptura de maré (TDE), e prevê-se que TDEs ocorram aproximadamente uma vez a cada 10.000 a 100.000 anos em um determinado galáxia.
Com luminosidades excedendo galáxias inteiras (ou seja, bilhões de vezes mais brilhantes que o nosso Sol) por breves períodos de tempo (meses a anos), os eventos de acreção permitem que os astrofísicos estudem buracos negros supermassivos (SMBHs) de distâncias cosmológicas, fornecendo uma janela para as regiões centrais de galáxias quiescentes – ou dormentes. Ao investigar esses eventos de “gravidade forte”, onde a teoria geral da relatividade de Einstein é crítica para determinar como a matéria se comporta, os TDEs fornecem informações sobre um dos ambientes mais extremos do universo: o horizonte de eventos – o ponto sem retorno — de um buraco negro.
Os TDEs são geralmente “uma vez e pronto” porque o campo gravitacional extremo do SMBH destrói a estrela, o que significa que o SMBH desaparece na escuridão após o surto de acreção. Em alguns casos, no entanto, o núcleo de alta densidade da estrela pode sobreviver à interação gravitacional com o SMBH, permitindo que ele orbite o buraco negro mais de uma vez. Os pesquisadores chamam isso de TDE parcial repetitivo.
Uma equipe de físicos, incluindo o autor principal Thomas Wevers, membro do Observatório Europeu do Sul, e os co-autores Eric Coughlin, professor assistente de física na Universidade de Syracuse, e Dheeraj R. “DJ” Pasham, cientista pesquisador do Instituto Kavli de Astrofísica do MIT e Space Research, propuseram um modelo para um TDE parcial repetitivo. Suas descobertas, publicadas na Cartas de Jornais Astrofísicos, descrevem a captura da estrela por um SMBH, a remoção do material cada vez que a estrela se aproxima do buraco negro e o atraso entre o momento em que o material é removido e o momento em que alimenta o buraco negro novamente. O trabalho da equipe é o primeiro a desenvolver e usar um modelo detalhado de um TDE parcial repetitivo para explicar as observações, fazer previsões sobre as propriedades orbitais de uma estrela em uma galáxia distante e entender o processo de ruptura parcial das marés.
A equipe está estudando um TDE conhecido como AT2018fyk (AT significa “Astrophysical Transient”). A estrela foi capturada por um SMBH por meio de um processo de troca conhecido como “captura de Hills”, onde a estrela era originalmente parte de um sistema binário (duas estrelas que orbitam uma à outra sob sua atração gravitacional mútua) que foi dilacerado pelo campo gravitacional de o buraco negro. A outra estrela (não capturada) foi ejetada do centro da galáxia a velocidades comparáveis a ~ 1000 km/s, o que é conhecido como estrela de hipervelocidade.
Uma vez ligada ao SMBH, a estrela que alimenta a emissão de AT2018fyk foi repetidamente despojada de seu envelope externo cada vez que passou por seu ponto de maior aproximação com o buraco negro. As camadas externas despojadas da estrela formam o brilhante disco de acreção, que os pesquisadores podem estudar usando telescópios de raios-X e ultravioleta/ópticos que observam a luz de galáxias distantes.
De acordo com Wevers, ter a oportunidade de estudar um TDE parcial dá uma visão sem precedentes sobre a existência de buracos negros supermassivos e a dinâmica orbital das estrelas nos centros das galáxias.
“Até agora, a suposição era que, quando vemos as consequências de um encontro próximo entre uma estrela e um buraco negro supermassivo, o resultado será fatal para a estrela, ou seja, a estrela será completamente destruída”, diz ele. “Mas, ao contrário de todos os outros TDEs que conhecemos, quando apontamos nossos telescópios para o mesmo local novamente vários anos depois, descobrimos que ele havia voltado a brilhar novamente. Isso nos levou a propor que, em vez de ser fatal, parte da estrela sobreviveu ao encontro inicial e voltou ao mesmo local para ser despojado de material mais uma vez, explicando a fase de rebrilho.”
Detectado pela primeira vez em 2018, o AT2018fyk foi inicialmente percebido como um TDE comum. Por aproximadamente 600 dias, a fonte permaneceu brilhante no raio-X, mas então escureceu abruptamente e ficou indetectável – resultado do retorno do núcleo estelar remanescente a um buraco negro, explica o físico do MIT Dheeraj R. Pasham.
“Quando o núcleo retorna ao buraco negro, ele basicamente rouba todo o gás do buraco negro por meio da gravidade e, como resultado, não há matéria para acumular e, portanto, o sistema fica escuro”, diz Pasham.
Não ficou imediatamente claro o que causou o declínio vertiginoso na luminosidade do AT2018fyk, porque os TDEs normalmente decaem suave e gradualmente – não abruptamente – em sua emissão. Mas cerca de 600 dias após a queda, descobriu-se novamente que a fonte era brilhante em raios-X. Isso levou os pesquisadores a propor que a estrela sobreviveu ao seu encontro próximo com o SMBH pela primeira vez e estava em órbita ao redor do buraco negro.
Usando modelagem detalhada, as descobertas da equipe sugerem que o período orbital da estrela em torno do buraco negro é de aproximadamente 1.200 dias, e leva aproximadamente 600 dias para o material que é derramado da estrela retornar ao buraco negro e começar a acumular. O modelo deles também limitou o tamanho da estrela capturada, que eles acreditam ter o tamanho do sol. Quanto ao binário original, a equipe acredita que as duas estrelas estavam extremamente próximas uma da outra antes de serem separadas pelo buraco negro, provavelmente orbitando uma à outra a cada poucos dias.
Então, como uma estrela poderia sobreviver ao seu encontro com a morte? Tudo se resume a uma questão de proximidade e trajetória. Se a estrela colidisse de frente com o buraco negro e ultrapassasse o horizonte de eventos – o limite onde a velocidade necessária para escapar do buraco negro supera a velocidade da luz – a estrela seria consumida pelo buraco negro. Se a estrela passasse muito perto do buraco negro e cruzasse o chamado “raio de maré” – onde a força de maré do buraco é mais forte que a força gravitacional que mantém a estrela unida – ela seria destruída. No modelo que eles propuseram, a órbita da estrela atinge um ponto de maior aproximação que está fora do raio de maré, mas não o atravessa completamente: parte do material na superfície estelar é arrancado pelo buraco negro, mas o o material em seu centro permanece intacto.
Como, ou se, o processo da estrela que orbita o SMBH pode ocorrer em muitas passagens repetidas é uma questão teórica que a equipe planeja investigar com simulações futuras. O físico de Syracuse, Eric Coughlin, explica que eles estimam que entre 1 a 10% da massa da estrela é perdida cada vez que ela passa pelo buraco negro, com o grande alcance devido à incerteza na modelagem da emissão do TDE.
“Se a perda de massa for apenas no nível de 1%, esperamos que a estrela sobreviva por muito mais encontros, enquanto que se for mais próxima de 10%, a estrela pode já ter sido destruída,” observa Coughlin.
A equipe manterá os olhos no céu nos próximos anos para testar suas previsões. Com base em seu modelo, eles prevêem que a fonte desaparecerá abruptamente por volta de março de 2023 e brilhará novamente quando o material recém-despojado se acumular no buraco negro em 2025.
A equipe diz que seu estudo oferece um novo caminho para rastrear e monitorar fontes de acompanhamento que foram detectadas no passado. O trabalho também sugere um novo paradigma para a origem de explosões repetidas dos centros das galáxias externas.
“No futuro, é provável que mais sistemas sejam verificados quanto a erupções tardias, especialmente agora que este projeto apresenta uma imagem teórica da captura da estrela por meio de um processo de troca dinâmica e a consequente interrupção repetida das marés parciais”, disse. diz Coughlin. “Esperamos que este modelo possa ser usado para inferir as propriedades de buracos negros supermassivos distantes e obter uma compreensão de sua “demografia”, sendo o número de buracos negros dentro de uma determinada faixa de massa, que de outra forma é difícil de alcançar diretamente”.
A equipe diz que o modelo também faz várias previsões testáveis sobre o processo de ruptura das marés e, com mais observações de sistemas como o AT2018fyk, deve fornecer informações sobre a física de eventos parciais de ruptura das marés e os ambientes extremos em torno de buracos negros supermassivos.
“Este estudo descreve a metodologia para prever potencialmente os próximos lanches de buracos negros supermassivos em galáxias externas”, diz Pasham. “Se você pensar sobre isso, é bastante incrível que nós na Terra possamos alinhar nossos telescópios a buracos negros a milhões de anos-luz de distância para entender como eles se alimentam e crescem”.
Co-autores adicionais incluem: M. Guolo, Departamento de Física e Astronomia, Johns Hopkins University; Y. Sun, Universidade do Arizona; S. Wen, Departamento de Astrofísica/IMAPP, Radboud University; PG Jonker, Departamento de Astrofísica/IMAPP, Universidade Radboud e SRON, Instituto Holandês de Pesquisa Espacial; A. Zabludoff, Universidade do Arizona; A. Malyali, R. Arcodia, Z. Liu, A. Merloni, A. Rau e I. Grotova, Max-Planck-Institut fu?r extraterrestrische Physik, Alemanha; P. Short, Instituto de Astronomia, Universidade de Edimburgo; e Z. Cao, Departamento de Astrofísica/IMAPP, Radboud University
Com informações de Science Daily.