Buracos negros, tradicionalmente esquivos e invisíveis, estão sendo revelados por meio da observação de eventos de ruptura de maré (TDEs), onde estrelas são violentamente destruídas, gerando explosões luminosas observáveis a grandes distâncias.
O escurecimento dramático de uma fonte de luz a ~ 860 milhões de anos-luz de distância da Terra confirma a precisão de um modelo detalhado desenvolvido por uma equipe de astrofísicos da Universidade de Syracuse, COMe o Instituto de Ciência do Telescópio Espacial.
Compreendendo buracos negros por meio de TDEs
Telescópios poderosos como NASAO Hubble, James Webb e o Observatório de Raios X Chandra fornecem aos cientistas uma janela para o espaço profundo para investigar a física dos buracos negros. Enquanto alguém pode se perguntar como você pode “ver” um buraco negroque absorve toda a luz, isso é possível por eventos de ruptura de maré (TDEs) – onde uma estrela é destruída por um buraco negro supermassivo e pode alimentar um “brilho de acreção luminosa”. Com luminosidades milhares de bilhões de vezes mais brilhantes que o Sol, os eventos de acreção permitem que os astrofísicos estudem buracos negros supermassivos (SMBHs) a distâncias cosmológicas.
TDEs ocorrem quando uma estrela é violentamente dilacerada pelo imenso campo gravitacional de um buraco negro. À medida que a estrela é despedaçada, seus restos são transformados em um fluxo de detritos que chove de volta para o buraco negro para formar um disco muito quente e muito brilhante de material girando em torno do buraco negro, chamado de disco de acreção. Os cientistas podem estudá-los para fazer observações diretas de TDEs e compará-los a modelos teóricos para relacionar observações a propriedades físicas de estrelas rompidas e seus buracos negros disruptores.
Inovações na pesquisa de buracos negros
Uma equipe de físicos da Universidade de Syracuse, do MIT e do Instituto de Ciências do Telescópio Espacial usou modelagem detalhada para prever o aumento e o diminuição do brilho do AT2018fyk, que é um TDE parcial repetitivo, o que significa que o núcleo de alta densidade da estrela sobreviveu à interação gravitacional com o SMBH, permitindo que ele orbitasse o buraco negro e fosse destruído mais de uma vez.
O modelo previu que AT2018fyk iria “escurecer” em agosto de 2023, uma previsão que foi confirmada quando a fonte ficou escura no verão passado, fornecendo evidências de que seu modelo oferece uma nova maneira de sondar a física dos buracos negros. Seus resultados foram publicados em O Cartas de revistas astrofísicas.
Uma fonte de alta energia
Graças a pesquisas extragalácticas incrivelmente detalhadas, os cientistas estão monitorando mais fontes de luz que vão e vêm do que nunca. Pesquisas vasculham hemisférios inteiros em busca de clareamento ou escurecimento repentino de fontes, o que diz aos pesquisadores que algo mudou. Ao contrário do telescópio na sua sala de estar que só consegue focar luz visível, telescópios como o Chandra conseguem detectar fontes de luz no que é chamado de espectro de raios X emitido por material que tem milhões de graus de temperatura.
Luz visível e raios X são formas de radiação eletromagnética, mas os raios X têm comprimentos de onda mais curtos e mais energia. Semelhante à maneira como seu fogão fica “vermelho quente” depois que você o liga, o gás que compõe um disco “brilha” em temperaturas diferentes, com o material mais quente mais próximo do buraco negro. No entanto, em vez de irradiar sua energia em comprimentos de onda ópticos visíveis a olho nu, o gás mais quente em um disco de acreção emite no espectro de raios X. Esses são os mesmos raios X usados por médicos para obter imagens de seus ossos e que podem passar por tecidos moles e, devido a essa transparência relativa, os detectores usados pelos telescópios de raios X da NASA são projetados especificamente para detectar essa radiação de alta energia.
Uma performance repetida
Em janeiro de 2023, uma equipe de físicos, incluindo Eric Coughlin, professor do Departamento de Física da Universidade de Syracuse, Dheeraj R. “DJ” Pasham, cientista pesquisador do MIT, e Thomas Wevers, membro do Instituto de Ciência do Telescópio Espacial, publicou um artigo em Cartas do Jornal Astrofísico que propôs um modelo detalhado para um TDE parcial repetitivo. Seus resultados foram os primeiros a mapear a surpreendente órbita de retorno de uma estrela em torno de um buraco negro supermassivo – revelando novas informações sobre um dos ambientes mais extremos do cosmos.
A equipe baseou seu estudo em um TDE conhecido como AT2018fyk (AT significa “Astrophysical Transient”), onde uma estrela foi proposta para ser capturada por um SMBH por meio de um processo de troca conhecido como “captura de Hills”. Originalmente parte de um sistema binário (duas estrelas que orbitam uma à outra sob sua atração gravitacional mútua), uma das estrelas foi hipotetizada como tendo sido capturada pelo campo gravitacional do buraco negro e a outra estrela (não capturada) foi ejetada do centro da galáxia a velocidades comparáveis a ~ 1000 km/s.
Uma vez ligada ao SMBH, a estrela que alimenta a emissão do AT2018fyk foi repetidamente despojada de seu envelope externo cada vez que passa por seu ponto de maior aproximação com o buraco negro. As camadas externas despojadas da estrela formam o disco de acreção brilhante, que os pesquisadores podem estudar usando telescópios de raios X e ultravioleta/ópticos que observam a luz de galáxias distantes.
Embora as TDEs geralmente sejam “feitas uma vez” porque o campo gravitacional extremo do SMBH destrói a estrela, o que significa que o SMBH desaparece novamente na escuridão após o clarão de acreção, o AT2018fyk ofereceu a oportunidade única de investigar uma TDE parcial repetida.
A equipe de pesquisa usou um trio de telescópios para fazer as detecções iniciais e de acompanhamento: Swift e Chandra, ambos operados pela NASA, e XMM-Newton, que é uma missão europeia. Observado pela primeira vez em 2018, AT2018fyk está a ~ 860 milhões de anos-luz de distância, o que significa que, devido ao tempo que a luz leva para viajar, aconteceu em “tempo real” ~ 860 milhões de anos atrás.
A equipe usou modelagem detalhada para prever que a fonte de luz desapareceria abruptamente por volta de agosto de 2023 e brilharia novamente quando o material recém-removido se acumulasse no buraco negro em 2025.
Sondando o futuro: previsões e implicações
Confirmando a precisão do modelo, a equipe relatou uma queda no fluxo de raios X ao longo de um período de dois meses, começando em 14 de agosto de 2023. Essa mudança repentina pode ser interpretada como o segundo desligamento de emissão.
“O desligamento de emissão observado mostra que nosso modelo e suposições são viáveis, e sugere que estamos realmente vendo uma estrela sendo lentamente devorada por um buraco negro distante e muito massivo”, diz Coughlin. “Em nosso artigo do ano passado, usamos restrições da explosão inicial, escurecimento e rebrilho para prever que AT2018fyk deve apresentar um escurecimento repentino e rápido em agosto de 2023, se a estrela sobreviveu ao segundo encontro que alimentou o segundo brilho.”
O fato de o sistema ter apresentado esse desligamento previsto implica, portanto, várias distinções sobre a estrela e o buraco negro:
- a estrela sobreviveu ao seu segundo encontro com o buraco negro;
- a taxa de retorno dos detritos removidos para o buraco negro está intimamente ligada ao brilho do AT2018fyk;
- e o período orbital da estrela em torno do buraco negro é de ~ 1300 dias, ou cerca de 3,5 anos.
O segundo corte implica que outro rebrilho deve acontecer entre maio e agosto de 2025 e, se a estrela sobreviver ao segundo encontro, um terceiro desligamento está previsto para ocorrer entre janeiro e julho de 2027.
Quanto à possibilidade de vermos um novo brilho em 2025, Coughlin diz que a detecção de um segundo corte implica que mais massa foi recentemente removida da estrela, o que deve retornar ao buraco negro para produzir um terceiro brilho.
“A única incerteza está no pico da emissão”, ele diz. “O segundo pico re-iluminado era consideravelmente mais escuro que o primeiro, e é, infelizmente, possível que a terceira explosão seja ainda mais escura. Esta é a única coisa que limitaria a detectabilidade desta terceira explosão.”
Coughlin observa que esse modelo significa uma nova maneira empolgante de estudar as ocorrências incrivelmente raras de TDEs parciais repetidas, que se acredita ocorrerem uma vez a cada milhão de anos em uma dada galáxia. Até o momento, ele diz que os cientistas encontraram apenas quatro a cinco sistemas que exibem esse comportamento.
“Com o advento da tecnologia de detecção aprimorada, descobrindo mais TDEs parciais repetidos, prevemos que este modelo será uma ferramenta essencial para os cientistas na identificação dessas descobertas”, diz ele.
Referência: “Um possível segundo desligamento de AT2018fyk: uma efeméride orbital atualizada da estrela sobrevivente sob o paradigma do evento de interrupção parcial de maré repetitiva” por Dheeraj Pasham, ER Coughlin, M. Guolo, T. Wevers, CJ Nixon, Jason T. Hinkle e A. Bandopadhyay, 14 de agosto de 2024, Cartas do Jornal Astrofísico.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad57b3
