Astronomia e Física 6 de julho de 2022, 14:00 06/07/2022

Como a morte de uma estrela pode revelar um buraco negro

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Jovens revisores

Resumo

Estudar objetos invisíveis no espaço, distantes centenas de milhões de anos-luz, pode parecer impossível. Mas, em anos recentes, os astrônomos descobriram uma nova maneira de investigar um tipo de objetos invisíveis e distantes: os buracos negros supermassivos. Os buracos negros são os objetos mais densos do Universo. Quando estrelas se aproximam de um buraco negro supermassivo podem se romper em pedaços, o que produz um clarão relativamente breve, mas cheio de informações. Esses episódios de destruição de estrelas podem nos ajudar a descobrir a localização dos buracos negros mais massivos do Universo – mas só se soubermos como fazer para encontrá-los e interpretá-los. Neste artigo, examinaremos diferentes maneiras de “ver” buracos negros e, sobretudo, o que entendemos e ainda não entendemos a respeito das estrelas sofrendo “perturbações causadas por eles.

Os buracos negros supermassivos

Não é fácil observar o centro de nossa galáxia, a Via Láctea. Não apenas porque o olhar precisaria atravessar a “poeira” estelar que absorve a luz visível, mas também porque há um monstro escondido lá. Dois cientistas, Andrea Ghez e Reinhard Genzel, receberam o Prêmio Nobel de Física de 2020 por olhar esse monstro face a face.1 Os dois desenvolveram instrumentos e métodos para obter uma imagem clara do que acontece no centro da Via Láctea. Lá, encontraram um grupo de estrelas e seguiram seus movimentos por mais de uma década. As estrelas pareciam orbitar um ponto no espaço como se fossem afetadas pelo equivalente à gravidade de 4,5 milhões de sóis (Figura 1). Porém, nesse ponto do espaço, não havia nada emitindo luz! Que objeto poderia produzir a força gravitacional de 4,5 milhões de sóis e não emitir luz alguma? Um buraco negro. Não um buraco negro qualquer, mas um buraco negro supermassivo.

Figura 1. O movimento das estrelas em volta do centro da galáxia Via Láctea. As estrelas estão assinaladas por círculos, denotando suas posições a cada ano entre 1995 e 2008. Seus nomes aparecem na legenda. Pode-se vê-las orbitando um objeto invisível, localizado justamente no centro da imagem e com uma força gravitacional de 4,5 milhões de sóis. (Crédito da foto: A. Ghez.)

Um buraco negro é um objeto com uma densidade extremamente elevada, o equivalente a encolher toda a Terra até que ela alcançasse o tamanho de uma bola de pingue-pongue. O buraco negro no centro da Via Láctea, com sua massa de 4,5 milhões de sóis, poderia caber na órbita de Mercúrio. A Via Láctea não é a única galáxia que oculta um monstro desses. Na verdade, talvez existam buracos negros supermassivos no centro de todas as grandes galáxias [1], podendo alcançar uma massa equivalente a 100 bilhões de sóis [2]. Não sabemos como o universo forma objetos tão monstruosos. Mais intrigante ainda é o fato de que podem ser vistos no Universo antigo – quando o Universo tinha menos tempo de existência do que o necessário para que esses mesmos buracos negros pudessem se formar.

Vendo o invisível

O desafio na pesquisa dos buracos negros é que eles são, obviamente, negros – isto é, não emitem luz – e, portanto, detectá-los é muito difícil. O método usado para descobrir o buraco negro supermassivo no centro de nossa galáxia – a medição do movimento das estrelas à sua volta – só pode ser usado para as galáxias mais próximas. Para além destas, mesmo nossos telescópios mais sofisticados não conseguem distinguir os movimentos isolados de estrelas em seu centro.

Há outra maneira de “ver” buracos negros de distâncias maiores. Cerca de 10% dos buracos negros supermassivos são rodeados por gás, que vai aos poucos sendo absorvido por eles [4, 5]. Como a água se escoando por um ralo, à medida que o gás se aproxima do buraco negro, ele move-se mais e mais rápido, até alcançar tamanha velocidade que se aquece e brilha. A “silhueta” do buraco negro supermassivo, no centro da galáxia M87, foi recentemente percebida contra o pano de fundo dessa luz (Figura 2).3 Com efeito, o gás que está na iminência de ser tragado por um buraco negro supermassivo é a fonte de luz mais intensa do Universo. Graças a ela, podemos não só identificar buracos negros supermassivos como calcular sua massa e spin.

Figura 2. A silhueta do buraco negro supermassivo no centro da galáxia M87, vista contra a imagem do gás que o cerca, aquecido e brilhante. (Crédito da foto: Even Horizon Telescope.)

Mas e quanto aos outros 90% de buracos negros supermassivos que não estão “engolindo” ativamente gás? Eles são completamente invisíveis para nós… a menos (e esse “a menos” é bem raro – uma vez a cada centenas de milhares de anos numa galáxia) que uma estrela sem sorte se aproxime de um deles e se torne vítima do chamado evento de perturbação de marés (EPM) [6].

Os eventos de perturbação de marés

Na Terra, as marés são provocadas pela força gravitacional da Lua, que puxa com mais força a água do lado do planeta que lhe faz frente do que a água do lado oposto.4 Do mesmo modo, a estrela sem sorte, ao aproximar-se de um buraco negro, sentirá mais a força gravitacional no lado que estiver de frente para ele. A força gravitacional, da mesma forma, mantém as estrelas juntas. Assim, se ela se aproximar o suficiente do buraco negro, a diferença na atração exercida em cada um de seus lados pode ser mais forte que a atração responsável por manter a estrela junto das outras. Em consequência, ela será “espaguetificada” – esticada numa fita comprida (Figura 3). Para entender por que isso acontece, imagine-se caindo, de pés para baixo, num buraco negro. Como os pés estarão mais perto do buraco negro do que a cabeça, sentirão uma força gravitacional maior e serão puxados mais rápido que a cabeça. Isso fará com que seu corpo todo seja esticado como um fio de espaguete. No caso de uma estrela, ele na verdade será cortado em duas partes: metade entrará em órbita em volta do buraco negro e metade será ejetada no espaço.

Figura 3. Uma estrela sendo cortada em duas partes por um buraco negro. (Crédito da imagem: NASA/CXC/M. Weiss.)

Como o gás em volta dos buracos negros ativos, a metade da estrela em órbita ao redor de um buraco negro irá girando cada vez mais perto, aumentando sua velocidade, aquecendo-se e emitindo luz. No entanto, ao contrário dos buracos negros ativos que possuem um grande suprimento de gás gerando luz continuamente, no caso de uma estrela solitária partida a luz desaparecerá em semanas ou meses, até que todo o material da metade em órbita mergulhe no buraco negro. Do ponto de vista do buraco negro, ela é um petisco, não um prato cheio. Mas, para os cientistas que estudam o fenômeno, essa é uma oportunidade que revela a existência e as propriedades de um objeto de outro modo invisível.

Os mistérios dos eventos de perturbação de marés

O fenômeno dos EPMs já tinha sido previsto nos anos 1970 [7], mas só recentemente o descobrimos e identificamos graças ao uso de telescópios [8]. Um dos motivos dessa demora é que as propriedades da luz emitida pelos EPMs são diferentes daquilo que esperávamos. Quando o gás se aquece antes de cair no buraco negro, emite luz de raios-X de altíssima energia. Mas os EPMs que estamos encontrando hoje emitem principalmente luz ultravioleta visível, a temperaturas e brilho de 10 a 100 vezes inferiores ao que fora previsto. Por quê? Na verdade, não sabemos.

Outro mistério relacionado aos EPMs são as galáxias onde os encontramos [9, 10]. Quase todos já descobertos estão em galáxias onde ocorreu um surto de formação de estrelas há poucas centenas de milhões de anos. Essas galáxias pós-surto são raras – constituem apenas algumas das que existem no Universo –, mas abrigam cerca de 9 entre 10 EPMs. De que modo um surto de formação de estrelas se relaciona com uma taxa crescente de EPMs, há poucas centenas de milhões de anos? Isso também não sabemos.

Tentamos descobrir EPMs ao redor de buracos negros supermassivos a fim de identificar e estudar os próprios buracos negros. Na verdade, já encontramos os EPMs que estávamos procurando; mas, como muitas vezes acontece em ciência, eles só nos presentearam com enigmas novos e inesperados. Quando descobrirmos e estudarmos mais EPMs, talvez consigamos resolver seus enigmas e usá-los como instrumentos para investigar os monstros que jazem no centro de cada galáxia.

Glossário

Ano-luz: Distância que a luz percorre em um ano, isto é, 9.460.800.000.000 de km.

Buraco negro: Objeto tão denso que nem a luz consegue escapar de sua força gravitacional.

Buraco negro supermassivo: Buraco negro um milhão (ou mais) de vezes mais massivo que o Sol.

Evento de perturbação de maré (EPM): Corte de uma estrela antes de se aproximar muito de um buraco negro.

Luz ultravioleta: Luz com comprimento de onda menor que o da luz azul visível.

Notas

  1. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/summary/
  2. Devido ao tempo exigido para a luz percorrer vastas distâncias no Universo, quanto mais longe olharmos, mais no passado veremos uma situação. Isso faz com que o telescópio funcione como uma máquina do tempo, capaz de ver o passado do Universo.
  3. https://eventhorizontelescope.org/press-release-april-10-2019-astronomers-capture-first-image-black-hole
  4. https://scijinks.gov/tides/

Referências

[1] Kormendy, J. e Richstone, D. 1995. “Inward bound – the search for supermassive black holes in galactic nuclei.” Ann. Rev. Astron. Astrophysics. 33:581–624. DOI: 10.1146/annurev.aa.33.090195.003053.

[2] Kozłowski, S. 2017. “Virial black hole mass estimates for 280.000 AGNs from the SDSS broadband photometry and single-epoch spectra.” Astrophys. J. Suppl. Ser. 228:9. DOI: 10.3847/1538-4365/228/1/9.

[3] Bañados, E., Venemans, B., Mazzucchelli, C., Farina, E. P., Walterm, F., Wang, F. et al. 2018. “An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5.” Nature. 553:473–6. DOI: 10.1038/nature25180.

[4] Antonucci, R. 1993. “Unified models for active galactic nuclei and qasars.” Ann. Rev. Astron. Astrophys. 31:473–521. DOI: 10.1146/annurev.aa.31.090193.002353.

[5] Shankar, F. 2009. “The demography of supermassive black holes: growing monsters at the heart of galaxies.” New Astron. Rev. 53:57–77. DOI: 10.1016/j.newar.2009.07.006.

[6] Rees, M. J. 1988. “Tidal disruption of stars by black holes of 106-108 solar masses in nearby galaxies.” Nature. 333:23–8. DOI: 10.1038/333523a0.

[7] Hills, J. G. 1975. “Possible power source of Seyfert galaxies and QSOsrt.” Nature. 254:295–8. DOI: 10.1038/254295a0.

[8] Van Velzen, S., Holoien, T. W. S., Onori, F., Hung, T. e Arcavi, I. 2020. “Optical-ultraviolet tidal disruption events.” Space Sci. Rev. 216:124. DOI: 10.1007/s11214-020-00753-z.

[9] Arcavi, I., Gal-Yam, A., Sullivan, M., Pan, Y. C., Bradley Cenko, S., Horesh, A. et al. “A continuum of H- to He-rich tidal disruption candidates with a preference for E+A galaxies.” Astrophys. J. 793:38. Disponível online em: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/793/1/38.

[10] French, K. D., Wevers, T., Law-Smith, J., Graur, O. e Zabludoff, A. I. 2020. “The host galaxies of tidal disruption events.” Space Sci. Rev. 216:32. DOI: 10.1007/s11214-020-00657-y.

Citação

Arcavi, I. (2020). “How a star’s death can reveal a black hole.” Front. Young Minds. 10:712082. DOI: 10.3389/frym.2021.712082.

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