Como buracos negros surgem? Astrônomos observam pela 1ª vez

Astrônomos observaram, pela primeira vez, o processo estelar que produz estrelas de nêutrons e buracos negros. A pesquisa colheu evidências de uma supernova que explodiu numa galáxia perto da Via Láctea, onde a Terra fica.

Para quem tem pressa:

Astrônomos observaram, pela primeira vez, o processo que cria buracos negros e estrelas de nêutrons a partir de uma supernova próxima à Via Láctea;O colapso de estrelas massivas leva à formação desses objetos densos, mas a natureza específica do objeto formado na supernova observada ainda é desconhecida;Oscilações periódicas na curva de luz da supernova SN 2022jli, na galáxia NGC 157, indicaram uma dinâmica complexa. A pesquisa sugere a presença de uma estrela companheira binária;A interação entre a supernova e sua estrela companheira criou padrões de brilho únicos – e essa descoberta abre perspectivas para entender melhor a formação de buracos negros e estrelas de nêutrons.

Os cientistas observaram, na explosão, o surgimento de algo com as características desses objetos compactos. Não está claro que tipo – estrela de nêutrons ou buraco negro – mas a descoberta finalmente confirma que o colapso do núcleo de estrelas massivas produz os objetos mais densos do Universo.

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Buracos negros e estrelas de nêutrons

(Imagem: EHT/Ian Stephens/George Wong)

Acredita-se que buracos negros de massa estelar e estrelas de nêutrons sejam resultados de processos semelhantes. Perto do final da vida, a estrela fica sem o combustível necessário para sustentar a fusão. Após uma série complicada de eventos, ela ejeta seu material externo. E o núcleo, não mais sustentado pela pressão externa da fusão, colapsa sob a gravidade para se tornar um objeto super denso.

A natureza desse objeto depende de sua massa. Estrelas menores do que oito Sóis produzem uma anã branca, o destino eventual previsto para o próprio Sol. Se a estrela precursora tinha entre cerca de oito e 30 vezes a massa do Sol, o núcleo colapsa numa estrela de nêutrons de até cerca de 2,3 massas solares.E as estrelas com mais de 30 massas solares tornam-se buracos negros de massa estelar.

No entanto, o entendimento desse processo era, até então, amplamente baseado na observação do resultado. Por exemplo: estrelas de nêutrons na Via Láctea brilhando dentro dos remanescentes da explosão de supernova na qual nasceram, como o famoso Pulsar (tipo de estrela de nêutrons) do Caranguejo ou de Vela.

Nova supernova

Prelúdio de uma supernova (Imagem: equipe de produção do Webb ERO/NASA/ESA/CSA/STScI)

Astrônomos não observavam uma supernova na Via Láctea há séculos. Até então, a supernova mais próxima (e recente) tinha ocorrido em 1987, quando uma estrela explodiu na Grande Nuvem de Magalhães.

Corta para 2023, quando astrônomos detectaram a supernova SN 2022jli, na galáxia espiral NGC 157, a “apenas” 75 milhões de anos-luz da Terra. Como se sabe tão pouco sobre esse processo, os cientistas ficaram fascinados. Por meio de telescópios, observaram enquanto a supernova se iluminava, atingia o pico e desaparecia nos dias, semanas e meses seguintes.

Normalmente, esse é um processo suave, com uma curva de luz de desaparecimento que é praticamente uma linha uniforme. Mas a SN 2022jli fez algo estranho. Após seu pico, ela não desapareceu uniformemente, mas com uma mudança periódica no brilho. A cada 12 dias, durante os 200 dias que os cientistas a acompanharam, a supernova se iluminava apenas para gradualmente escurecer.

“Esta é a primeira vez que oscilações periódicas repetidas, ao longo de muitos ciclos, foram detectadas em uma curva de luz de supernova”, escreveu uma equipe liderada pelo astrofísico Thomas Moore da Queen’s University de Belfast, na Irlanda do Norte, num paper publicado no periódico científico The Astrophysical Journal Letters em 2023.

Estrela companheira

(Imagem: Leah Hustak – STScI/NASA/ESA)

Agora, uma segunda equipe, liderada pelo astrofísico Ping Chen, do Instituto Weizmann de Ciência em Israel, descobriu o porquê, conforme divulgado pelo Observatório Europeu do Sul na quarta-feira (10). A maioria das estrelas, acreditam os astrônomos, não são solitárias. A estrela SN 2022jli provavelmente tinha uma companheira binária, que sobreviveu à supernova e permaneceu em órbita com o objeto agora explodido.

Chen e seus colegas encontraram rajadas de radiação gama e o movimento de hidrogênio no local onde ocorreu a supernova. Sua análise descobriu que as mudanças no brilho são provavelmente causadas por uma interação entre o que sobrou da SN 2022jli e a estrela companheira. Quando a SN 2022jli ejetou seu material externo, inflou a estrela companheira com hidrogênio.

Na sequência da explosão, a órbita dos dois objetos traz o remanescente do núcleo compacto por meio da atmosfera fofa da companheira, onde ele suga um monte de hidrogênio. À medida que esse hidrogênio cai sobre o remanescente, ele aquece, causando um brilho.

Os pesquisadores não sabem se o objeto é um buraco negro ou uma estrela de nêutrons. Mas estão confiantes de que é um deles. Isso significa que a SN 2022jli é a primeira supernova da qual os astrônomos conseguiram observar, em tempo real, o surgimento de um objeto compacto. É o ápice de décadas de observação, análise e teoria. 

A partir deste ponto, a compreensão sobre buracos negros e estrelas de nêutrons da astronomia só pode crescer. “Nossa pesquisa é como resolver um quebra-cabeça reunindo todas as evidências possíveis. Todas essas peças alinhadas levam à verdade”, diz Chen.

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