Impressão artística do sistema binário VTFS 243. Crédito: ESOL. Calçada CC BY 4.0
Astrofísicos da Universidade de Copenhague ajudam a explicar um fenômeno misterioso, pelo qual as estrelas desaparecem repentinamente do céu noturno. O seu estudo de um sistema estelar binário incomum resultou em evidências convincentes de que estrelas massivas podem colapsar completamente e tornar-se buracos negros sem uma explosão de supernova.
Um dia, a estrela no centro do nosso sistema solar, o Sol, começará a se expandir até engolir a Terra. Ele então se tornará cada vez mais instável até que eventualmente se contraia em um objeto pequeno e denso conhecido como anã branca.
No entanto, se o Sol tivesse uma classe de peso cerca de oito vezes maior ou mais, provavelmente explodiria com um enorme estrondo – como uma supernova. Seu colapso culminaria em uma explosão, ejetando energia e massa para o espaço com enorme força, antes de deixar para trás um Estrêla de Neutróns ou um buraco negro em seu rastro.
Embora este seja um conhecimento básico sobre como as estrelas massivas morrem, ainda há muito para compreender sobre os céus estrelados acima e a morte espetacular destas estrelas em particular.
O sistema estelar binário VFTS 243 está localizado na galáxia anã “Grande Nuvem de Magalhães”, na periferia da Via Láctea. As Nuvens de Magalhães são galáxias satélites da Via Láctea. Estas galáxias anãs, que orbitam o centro galáctico, só são visíveis no Hemisfério Sul. Aqui, eles podem ser vistos acima dos Telescópios Auxiliares do Very Large Telescope (VLT) do ESO, no Paranal, Chile. Crédito: JC Muñoz/ESO
Uma nova investigação realizada por astrofísicos do Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhaga apresenta a evidência mais forte até à data de que estrelas muito massivas podem sucumbir com muito mais discrição e discrição do que como supernovas. Na verdade, a sua investigação sugere que, com massa suficiente, a atração gravitacional de uma estrela pode ser tão forte que nenhuma explosão ocorre após a sua morte. Em vez disso, a estrela pode passar pelo que é conhecido como colapso total.
“Acreditamos que o núcleo de uma estrela pode colapsar sob o seu próprio peso, como acontece com estrelas massivas na fase final das suas vidas. Mas em vez de a contracção culminar numa brilhante explosão de supernova que ofuscaria a sua própria galáxia, esperada para estrelas com mais de oito vezes a massa do Sol, o colapso continua até que a estrela se torne uma estrela. buraco negro”, explica o primeiro autor Alejandro Vigna-Gómez, que fazia pós-doutorado no Instituto Niels Bohr quando este estudo começou.
Fatos e Mitos: Estrelas Desaparecidas
Nos tempos modernos, tem havido muitas observações de estrelas que desaparecem inexplicavelmente.
“Uma pesquisa sobre nada” liderado pelo astrofísico Chris Kochanek é um exemplo dos esforços de pesquisa que procuram ativamente o desaparecimento de estrelas e explicações para o seu desaparecimento.
O leitor curioso também pode se aprofundar nas descrições históricas. Muitas vezes, isso tem a ver com estrelas repentinamente luminosas que desaparecem consistentemente com cenários de supernovas. Mas há outras histórias sobre o desaparecimento repentino de estrelas, como o mito grego associado ao aglomerado estelar das Plêiades, comumente conhecido como as Sete Irmãs. O mito das Plêiades descreve as sete filhas do titã Atlas e da ninfa Pleione. De acordo com o mito, uma de suas filhas se casou com um humano e se escondeu, o que fornece uma explicação pouco científica, mas bonita, de por que só vemos seis estrelas nas Plêiades.
Esta descoberta está ligada ao fenómeno do desaparecimento de estrelas, que tem interessado os astrónomos nos últimos anos, e pode fornecer tanto um exemplo claro como uma explicação científica plausível para fenómenos deste tipo.
“Se alguém ficasse olhando para uma estrela visível passando por um colapso total, poderia, no momento certo, ser como observar uma estrela se extinguir repentinamente e desaparecer dos céus. O colapso é tão completo que nenhuma explosão ocorre, nada escapa e não se veria nenhuma supernova brilhante no céu noturno. Os astrônomos observaram o desaparecimento repentino de estrelas brilhantes nos últimos tempos. Não podemos ter a certeza de uma ligação, mas os resultados que obtivemos da análise do VFTS 243 aproximaram-nos muito mais de uma explicação credível”, afirma Alejandro Vigna-Gómez.
Vista do Telescópio Espacial Webb da Nebulosa da Tarântula, onde o VTFS 243 está localizado. Crédito: NASA, ESA, CSA e STScI
Um sistema estelar incomum sem sinais de explosão
Esta descoberta foi motivada pela recente observação de um sistema estelar binário incomum na borda da nossa galáxia chamado VFTS 243. Aqui, uma grande estrela e um buraco negro com cerca de 10 vezes mais massa que o nosso Sol orbitam um ao outro.
Os cientistas sabem da existência de tais sistemas estelares binários no via Láctea durante décadas, onde uma das estrelas se tornou um buraco negro. Mas a recente descoberta do VFTS 243, logo além da Via Láctea, na Grande Nuvem de Magalhães, é algo verdadeiramente especial.
Fatos: Buracos Negros
Nem mesmo a luz consegue escapar dos buracos negros. Como tal, não podem ser observados diretamente. No entanto, alguns buracos negros podem ser identificados devido às grandes quantidades de energia emitidas pelos gases que giram em torno deles. Outros, como é o caso do VFTS 243, podem ser observados pela influência que exercem nas estrelas com as quais orbitam.
Em geral, os astrônomos acreditam que existam três tipos de buracos negros:
Buracos negros estelares – como os do sistema VFTS 243 – formam-se quando estrelas com mais de oito vezes a massa do Sol entram em colapso. Os cientistas acreditam que pode haver até 100 milhões destes apenas na nossa galáxia.
Acredita-se que buracos negros supermassivos – 100.000 – 10 bilhões de vezes a massa do Sol – estejam no centro de quase todas as galáxias. Sagitário A* é o buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia, a Via Láctea.
Os buracos negros de massa intermédia (IMBH) – 100-100.000 vezes a massa do nosso Sol – foram durante muito tempo um elo perdido. Nos últimos anos, surgiram vários candidatos credíveis.
Existem também teorias que descrevem outros tipos de buracos negros, que ainda não foram descobertos. Supõe-se que um deles, os chamados buracos negros primordiais, tenha se formado no universo primitivo e poderia, teoricamente, ser microscópico.
“Normalmente, os eventos de supernovas em sistemas estelares podem ser medidos de várias maneiras depois de ocorrerem. Mas apesar do fato de VFTS 243 conter uma estrela que entrou em colapso em um buraco negro, os vestígios de uma explosão não foram encontrados em lugar nenhum. O VFTS 243 é um sistema extraordinário. A órbita do sistema quase não mudou desde o colapso da estrela num buraco negro”, diz Alejandro Vigna-Gómez.
Os investigadores analisaram os dados observacionais em busca de uma série de sinais que seriam esperados de um sistema estelar que sofreu uma explosão de supernova no passado. Geralmente, eles encontraram evidências de tal evento menores e pouco convincentes.
O sistema não mostra sinais de um “chute natal” significativo, uma aceleração dos objetos em órbita. É também muito simétrica, quase perfeitamente circular na sua órbita, e os sinais restantes da libertação de energia durante o colapso do núcleo da antiga estrela apontam para um tipo de energia consistente com o colapso completo.
“A nossa análise aponta inequivocamente para o facto de que o buraco negro em VFTS 243 se formou muito provavelmente imediatamente, com a energia a ser perdida principalmente através de neutrinos”, afirma a professora Irene Tamborra do Instituto Niels Bohr, que também participou no estudo.
Um sistema de referência para estudos futuros
Segundo o professor Tamborra, o sistema VFTS 243 abre a possibilidade de finalmente comparar uma série de teorias astrofísicas e cálculos de modelos com observações reais. Ela espera que o sistema estelar seja importante para o estudo da evolução e do colapso estelar.
“Os nossos resultados destacam o VFTS 243 como o melhor caso observável até agora para a teoria de buracos negros estelares formados através de colapso total, onde a explosão da supernova falha e que os nossos modelos demonstraram ser possíveis. É uma importante verificação da realidade para esses modelos. E certamente esperamos que o sistema sirva como uma referência crucial para futuras pesquisas sobre evolução e colapso estelar”, afirma o professor.
Informações extras: o “chute de Natal” ausente e outros sinais (ausentes) de uma supernova
O “Chute Natal” não existe
As forças violentas de uma supernova afetam diretamente as estrelas de nêutrons recém-nascidas ou os buracos negros deixados por ela, devido à emissão assimétrica de matéria durante a explosão. Isso é o que os pesquisadores chamam de “chute natal”. Este chute faz com que o objeto compacto acelere. Um chute natal normalmente dará às estrelas de nêutrons uma velocidade mensurável de 100-1000 km por segundo. Espera-se que a velocidade seja menor para buracos negros, mas ainda significativa.
Dado que o buraco negro no sistema VFTS 243 apenas parece ter sido acelerado a cerca de 4 km/s, não mostra sinais de ter recebido um impulso natal substancial, como seria de esperar se tivesse sofrido uma supernova.
Da mesma forma, a simetria da órbita de um sistema estelar geralmente mostra sinais de que ele sentiu o impacto de uma violenta explosão de supernova, por causa da ejeção de matéria que ocorre. Em vez disso, os pesquisadores encontraram simetria.
“A órbita do VFTS é quase circular e a nossa análise indica que não há sinais de grandes assimetrias durante o colapso. Isto indica novamente a ausência de explosão”, diz Alejandro Vigna Gomez.
Uma explosão de energia
Analisando a órbita do sistema estelar binário, a equipe também conseguiu calcular a quantidade de massa e energia liberada durante a formação do buraco negro.
As suas estimativas são consistentes com um cenário em que o menor impulso transmitido durante o colapso estelar não se deveu à matéria bariónica, que inclui neutrões e protões, mas sim aos chamados neutrinos. Os neutrinos têm muito pouca massa e interagem muito fracamente. Esta é outra indicação de que o sistema não sofreu uma explosão.
Referência: “Restrições aos chutes Neutrino Natal do Black-Hole Binary VFTS 243” por Alejandro Vigna-Gómez, Reinhold Willcox, Irene Tamborra, Ilya Mandel, Mathieu Renzo, Tom Wagg, Hans-Thomas Janka, Daniel Kresse, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar e Thomas M. Tauris, 9 de maio de 2024, Cartas de revisão física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.191403
Os seguintes pesquisadores contribuíram para a pesquisa:
Alejandro Vigna-Gómez, Irene Tamborra, Hans-Thomas Janka, Daniel Kresse, Reinhold Willcox, Ilya Mandel, Mathieu Renzo, Tom Wagg, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar, Thomas M. Tauris
Os pesquisadores são afiliados a diversas instituições de pesquisa:
- Instituto Niels Bohr, Universidade de Copenhague – Academia Internacional e DARK
- Instituto Max Planck de Astrofísica, Garching, Alemanha
- Instituto de Astronomia, KU Leuven, Leuven, Bélgica
- Escola de Física e Astronomia, Monash University, Clayton, Austrália
- Centro de Excelência ARC para Descoberta de Ondas Gravitacionais — OzGrav, Austrália
- Centro de Astrofísica Computacional, Flatiron Institute, Nova York, EUA
- Observatório Steward, Universidade do Arizona, Tucson, EUA
- Departamento de Astronomia, universidade de WashingtonSeattle, EUA
- Universidade Técnica de Munique, Escola de Ciências Naturais TUM, Departamento de Física, Garching, Alemanha
- Observatório Europeu do Sul, Garching, Alemanha
- Escola de Física e Astronomia, Universidade de Tel Aviv, Tel Aviv, Israel
- Universidade de Aalborg, Aalborg, Dinamarca
