Astrônomos flagram buraco negro 'devorando' estrela

Impressão artística de um buraco negro com um raio X ao redor, que permite que sua taxa de rotação seja estimada Direito de imagem NASA/CXC/M. Weiss
Image caption Ilustração artística de um buraco negro com um raio-x ao redor, que permite que sua taxa de rotação seja estimada

Um telescópio a bordo da Estação Espacial Internacional captou sinais de um buraco negro "devorando" uma estrela. As imagens, detectadas em março do ano passado, foram analisadas por astrônomos e as conclusões foram divulgadas nesta quarta-feira.

Batizado de MAXI J1820+070, o buraco negro fica relativamente perto da Terra - a 10 mil anos-luz daqui. Os equipamentos da Estação Espacial detectaram um imenso jato de luz de raios-x, que chamou a atenção dos cientistas.

Depois de analisar o material, os cientistas concluíram que se tratava de um fenômeno interessantíssimo: um buraco negro observado em meio a uma explosão, uma fase extrema em que ele emite rajadas de energia enquanto absorve um amontoado gigantesco de gás e poeira de uma estrela próxima.

"Muitos milhões de buracos negros existem em nossa galáxia. Nós só os vemos quando estão em um sistema binário com outra estrela, uma estrela normal como o nosso sol. Os buracos negros podem puxar material da superfície da estrela, acumulando material, pouco a pouco, na forma de um disco - chamado disco de acreção - ao redor dele", explica à BBC News Brasil a astrônoma Erin Kara, pesquisadora da Universidade de Maryland e principal autora da descoberta.

"Às vezes, ocorre uma instabilidade, e uma avalanche desse material estelar cai no buraco negro, criando uma enorme energia e radiação, na forma de um jato de emissão de raios-x da região muito perto do buraco negro, chamado de coroa. Temos agora novos resultados sobre a extensão espacial e a evolução da coroa e do disco durante uma explosão."

Detecção

Essa radiação captada pelos equipamentos da Estação Espacial, rastreada pelos cientistas, comprovou-se como oriunda do buraco negro MAXI J1820+070. Astrônomos passaram a seguir a pista, detectando "ecos" dessa explosão. A junção dessas informações resultou em novas evidências sobre como os buracos negros evoluem durante uma explosão.

A descoberta foi anunciada em encontro da Sociedade Americana de Astronomia realizado nesta quarta em Washington e é a reportagem de capa da revista científica Nature desta quinta-feira.

Segundo as evidências, o buraco negro consome quantidades de material estelar e, enquanto isso ocorre, sua coroa - ou seja, o halo de elétrons altamente energizados que o circunda - encolhe significativamente. No caso observado, ele caiu de uma extensão de cerca de 100 quilômetros a apenas 10 quilômetros em pouco mais de um mês.

Direito de imagem NASA
Image caption As imagens foram obtidas na Estação Espacial Internacional

Nunca antes tal fenômeno havia sido identificado pela ciência. As evidências apontam para o fato de que esse processo seja a chave da evolução de um buraco negro. "É a primeira vez que observamos esse tipo de evidência, de que a coroa está diminuindo durante essa fase da explosão", comenta o astrônomo Jack Steiner, do Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT.

"A coroa ainda segue sendo algo bastante misteriosa. Ainda temos uma compreensão pequena do que ela é. Mas agora temos evidências de que a evolução do sistema é baseada na estrutura da própria coroa."

Quando o buraco negro foi detectado pelos astrônomos, em março do ano passado, logo em seguida eles começaram a observar sua interação com a estrela próxima. "Ele estava quase completamente desobstruído, então tivemos uma visão muito clara do que estava acontecendo", afirma Steiner.

"Durante nossa observação, o buraco negro passou de totalmente inobservável para uma das fontes mais brilhantes do céu. Isto apenas em alguns dias", conta Kara.

O fenômeno

Uma explosão do tipo ocorre quando um buraco negro suga enormes quantidades de material de uma estrela próxima. Esse material se acumula ao redor do buraco negro, em um vórtice giratório conhecido como disco de acreção, que pode chegar a milhões de quilômetros de diâmetro. No caso estudado, tratava-se de um buraco negro pequeno, de "apenas" 10 vezes o tamanho do nosso sol.

O material nesse disco gira mais rapidamente quanto mais perto do centro está. Esta diferença de velocidades gera um atrito, que acaba aquecendo o disco. Esse calor enorme, em uma escala de milhões de graus Celsius, provoca verdadeiras avalanches, fazendo com que o gás da coroa seja "derramado" no buraco negro central.

No caso observado, conforme os cientistas relataram, seria o equivalente a um Monte Everest de gás por segundo - o que provocou uma explosão que durou o equivalente a um ano.

Os pesquisadores passaram a coletar, então, medições precisas da energia e da frequência das emissões de raios-x durante a explosão. Notaram que havia dois tipos de fótons, os de baixa energia - provavelmente emitidos inicialmente pelo disco - e os de alta energia - aqueles que, ao que parece, interagiram com os elétrons da coroa. A defasagem entre eles provocou "ecos".

"Agimos de modo semelhante aos morcegos, que usam a ecolocalização para mapear uma caverna escura", compara a astrônoma. "Utilizamos, no caso, os ecos de luz para medir a região próxima ao buraco negro que não pudemos resolver espacialmente com nossos telescópios."

Direito de imagem NASA/JPL-Caltech
Image caption Buracos negros são visíveis ao puxar material da superfície de estrelas, formando um disco ao seu redor, e podem emitir raios-x quando esse material é engolido

Ao monitorarem essa radiação, os astrônomos observaram que, ao longo de um mês, a defasagem entre os dois tipos de fótons caiu muito. O que sugeria que a distância entre a coroa e o disco de acreção também estaria diminuindo. Ou seja: para evoluir, o buraco negro estava "consumindo" o material do seu halo - constituído basicamente de material estelar. Em outras palavras, o buraco negro estava devorando uma estrela.

De acordo com Steiner, este foi o primeiro caso inequívoco de que uma coroa estava encolhendo enquanto o disco permanecia estável.

"Até então, só havíamos observado esse tipo de 'eco' de luz em buracos negros supermassivos, de milhões ou bilhões de massas solares", completa Kara. "Buracos negros estelares como o J1820 têm massas muito menores e evoluem muito mais rápido. Podemos observar as mudanças em uma escala de tempo humana."

Ou, dizendo de um modo mais claro: a partir de análises de fenômenos como este o ser humano consegue, de ponto de vista de um tempo mais palpável, novas peças para o complexo quebra-cabeças que tenta explicar a formação e o funcionamento do Universo.

"Isso é importante porque há muito tempo existe um debate sobre o que de fato impulsiona a evolução de um buraco negro: se o disco ou a coroa", comenta Kara. "Com nossa pesquisa, descobrimos que a coroa conduz a evolução."

Este entendimento representa muito mais do que pode parecer. Isto porque, conforme a astrônoma lembra, no centro de todas as galáxias massivas estão buracos negros supermassivos. E apesar de eles serem mil vezes menores do que as galáxias onde residem, eles acabam funcionando como os principais condutores da evolução da própria galáxia.

Direito de imagem ESO/L. Calçada
Image caption Impressão artística de um buraco negro emitindo raios de energia após consumir uma estrela

"Esse processo ocorre por meio de episódios de acreção que duram milhões de anos", comenta Kara. "Se quisermos entender como os buracos negros consomem material e afetam seus ambientes, temos de estudar os buracos negros 'menores', encarando-os como análogos - menores e de evolução mais rápida."

Procurado pela reportagem, o físico brasileiro Rodrigo Panosso Macedo, que estuda buracos negros e atua como pesquisador da Universidade Queen Mary de Londres, analisou a importância da descoberta.

"Esse sistema em menor escala tem as mesmas características de outros sistemas muito maiores formados por buracos negros supermassivos e discos de acreção. Buracos negros supermassivos são os que estão, em geral, no centro das galáxias. No caso, o que esses pesquisadores conseguiram foi monitorar mudanças na dinâmica de acreção de material e emissão de energia em escalas temporais que nós conseguimos medir", comenta ele.

Assim, o que os astrônomos esperam ter feito foi ter estudado uma miniatura do centro de uma galáxia, ou seja, compreender um pouco melhor como funciona a evolução da galáxia.

O que é um buraco negro?

A existência dos buracos negros foi idealizada pela primeira vez em 1783 pelo geólogo britânico John Michel (1724-1793). A teoria acabou ganhando corpo com um texto de 1796 do matemático francês Pierre-Simon Laplace (1749-1827).

Mas só no século 20 o conceito foi comprovado. Primeiro com a teoria da relatividade de Albert Eintein (1879-1955), depois com uma sucessão de teorias e, posteriormente, com evidências astronômicas.

O mais massivo buraco negro conhecido hoje é o que está no centro da galáxia NGC 1277. Foi descoberto em 2012 e é 4 mil vezes maior do que o que existe no centro da Via Láctea, a nossa galáxia. Isso significa que ele teria uma massa 17 bilhões de vezes maior do que a do Sol.

Direito de imagem NASA/M. Weiss
Image caption Ilustração de um buraco negro com massas de gás ao seu redor

Por definição da NASA, a agência espacial americana, "um buraco negro é uma região no espaço onde a força de atração da gravidade é tão forte que nem a luz é capaz de escapar". "A forte gravidade ocorre porque a matéria foi comprimida em um espaço minúsculo. Essa compressão pode ocorrer no final da vidas e uma estrela", diz texto divulgado pela agência.

Como nenhuma luz escapa aos buracos negros, eles são invisíveis. "No entanto, telescópios espaciais com instrumentos especiais podem ajudar aa encontrar buracos negros. Eles podem observar o comportamento de materiais e estrelas que estão muito próximos dos buracos negros", esclarece a agência.

Existem três tipos de buracos negros. Os primordiais são tão pequenos quanto um único átomo, mas com a massa de uma gigantesca montanha. O tipo mais comum é o de tamanho médio, os chamados estelares - são aqueles cuja massa pode ser até 20 vezes maior do que a do Sol e podem caber dentro de uma bola com diâmetro de cerca de 15 quilômetros.

Os maiores são aqueles chamados de supermassivos - há evidências de que toda grande galáxia tenha um deles em seu centro. O buraco negro que existe no centro da Via Lácta se chama Sagitário A.

Fenômeno semelhante em buraco negro gigante

No mesmo evento da Sociedade Americana de Astronomia, foi apresentado nesta quarta-feira um outro estudo realizado por astrônomos a partir de raras imagens do céu captadas em novembro de 2014.

As cenas também evidenciam um buraco negro se "alimentando" de uma estrela - mas, no caso, trata-se de um buraco negro supermassivo, 1 milhão de vezes maior do que o Sol, no centro de uma galáxia a 300 milhões de anos-luz da Terra.

O astrônomo Dheeraj Pasham, pesquisador Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do Massachusetts Institute of Technology (MIT), nos EUA, e principal autor do estudo, explicou à BBC News Brasil um pouco sobre a descoberta, que será detalhada na edição desta semana da revista Science.

Pasham destacou que a equipe identificou um padrão na emissão dos jatos de raio-X - enquanto o buraco negro se dedica a devorar a estrela, a radiação é emitida em pulsos a cada 131 segundos, e estes persistem por 450 dias.

"Este método pode ser utilizado para medir a atividade de buracos negros", resume o cientista.

"Atualmente, acredita-se que quase todas as galáxias contêm um buraco negro supermassivo em seu centro. Mesmo que esses buracos negros tenham menos de 0,1% da massa de suas galáxias hospedeiras, eles parecem, de alguma forma, controlar o crescimento de seus hospedeiros", explica Pasham. "Portanto, se pudermos entender como os buracos negros supermassivos crescem, podemos usar esse conhecimento para compreender diretamente como as galáxias evoluem."

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