Astrônomos observaram um buraco negro destroçar uma estrela, mas surpreendentemente pouco foi devorado

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Impressão artística de uma estrela perto de um buraco negro supermassivo (Créditos: ESA/Hubble, OES, M. Kornmesser)

Traduzido por Julio Batista
Original de Robert Sanders para a Universidade de Berkeley

Em 2019, os astrônomos observaram o exemplo mais próximo até hoje de uma estrela que foi triturada, ou “espaguetificada”, depois de se aproximar muito de um buraco negro massivo.

Esse evento de perturbação de marés de uma estrela parecida com o Sol por um buraco negro 1 milhão de vezes mais massivo do que ele próprio ocorreu a 215 milhões de anos-luz da Terra. Felizmente, este foi o primeiro evento brilhante o suficiente para que astrônomos da Universidade da Califórnia, Berkeley (EUA), pudessem estudar a luz óptica da morte estelar, especificamente a polarização da luz, para aprender mais sobre o que aconteceu depois que a estrela foi dilacerada.

Suas observações em 8 de outubro de 2019, sugerem que muito do material da estrela foi soprado em alta velocidade – até 10.000 quilômetros por segundo – e formou uma nuvem esférica de gás que bloqueou a maioria das emissões de alta energia produzidas a medida que o buraco negro engolia o restante da estrela.

Anteriormente, outras observações de luz óptica da explosão, chamadas AT2019qiz, revelaram que grande parte da matéria da estrela foi lançada para fora em um vento poderoso. Mas os novos dados sobre a polarização da luz, que era essencialmente zero em comprimentos de onda visíveis ou ópticos quando o evento era mais brilhante, revelara aos astrônomos que a nuvem provavelmente era esfericamente simétrica.

“Esta é a primeira vez que alguém deduziu a forma da nuvem de gás em torno de uma estrela espaguetificada”, disse Alex Filippenko, professor de astronomia da UC Berkeley e membro da equipe de pesquisa.

Os resultados suportam uma noção para o motivo pelo qual os astrônomos não veem radiação de alta energia, como raios-X, de muitas das dezenas de eventos de perturbação de maré observados até o momento: os raios-X, que são produzidos por material arrancado da estrela e arrastados para um disco de acreção ao redor do buraco negro antes de cair para dentro, são obscurecidos de vista pelo gás soprado para fora por ventos poderosos do buraco negro.

“Esta observação exclui uma classe de soluções que foram propostas teoricamente e nos dá uma restrição mais forte sobre o que acontece com o gás em torno de um buraco negro”, disse Kishore Patra, estudante de pós-graduação da UC Berkeley, principal autor do estudo. “As pessoas têm visto outras evidências de vento saindo desses eventos, e acho que esse estudo de polarização definitivamente torna essa evidência mais forte, no sentido de que você não obteria uma geometria esférica sem ter uma quantidade suficiente de vento. O fato interessante aqui é que uma fração significativa do material da estrela que está espiralando para dentro não cai no buraco negro – é soprado para longe do buraco negro.”

Se uma estrela (linha vermelha) vagar muito perto de um buraco negro (esquerda), ela pode ser triturada ou espaguetificada pela intensa gravidade. Parte da matéria da estrela gira em torno do buraco negro, como água em um ralo, emitindo copiosos raios-X (azul). Estudos recentes desses chamados eventos de perturbação de maré sugerem que uma fração significativa do gás da estrela também é soprada para fora por ventos intensos do buraco negro, em alguns casos criando uma nuvem que obscurece o disco de acreção e os eventos de alta energia que acontecem dentro. (Créditos: NASA/CXC/M. Weiss)

Polarização revela simetria

Muitos teóricos levantaram a hipótese de que os detritos estelares formam um disco excêntrico e assimétrico após a perturbação, mas espera-se que um disco excêntrico mostre um grau relativamente alto de polarização, o que significaria que talvez vários por cento da luz total seja polarizada. Isso não foi observado para este evento de perturbação de maré.

“Uma das coisas mais loucas que um buraco negro supermassivo pode fazer é destruir uma estrela por suas enormes forças de maré”, disse o membro da equipe Wenbin Lu, professor assistente de astronomia da UC Berkeley. “Esses eventos de perturbação de maré estelar são uma das poucas maneiras pelas quais os astrônomos sabem da existência de buracos negros supermassivos nos centros das galáxias e medem suas propriedades. No entanto, devido ao extremo custo computacional em simular numericamente tais eventos, os astrônomos ainda não entendem processos complexos após uma perturbação de marés.”

Um segundo conjunto de observações em 6 de novembro, 29 dias após a observação de outubro, revelou que a luz estava levemente polarizada, cerca de 1%, sugerindo que a nuvem havia diminuído o suficiente para revelar a estrutura de gás assimétrica ao redor do buraco negro. Ambas as observações vieram do telescópio Shane de 3 metros no Observatório Lick perto de San Jose, Califórnia, que está equipado com o espectrógrafo Kast, um instrumento que pode determinar a polarização da luz em todo o espectro óptico. A luz torna-se polarizada – seu campo elétrico vibra principalmente em uma direção – quando espalha elétrons na nuvem de gás.

“O próprio disco de acreção é quente o suficiente para emitir a maior parte de sua luz em raios-X, mas essa luz tem que passar por essa nuvem, e há muitos espalhamentos, absorções e reemissões de luz antes que ela possa escapar dessa nuvem”, disse Patra. “Com cada um desses processos, a luz perde parte de sua energia de fóton, indo até as energias ultravioleta e óptica. A dispersão final determina o estado de polarização do fóton. Assim, medindo a polarização, podemos deduzir a geometria da superfície onde a dispersão final acontece.”

Patra observou que esse cenário de leito de morte pode se aplicar apenas a perturbações normais de maré – não as “excêntricas”, em que jatos relativísticos de material são expelidos dos polos do buraco negro. Apenas mais medições da polarização da luz desses eventos responderão a essa pergunta.

“Estudos de polarização são muito desafiadores, e muito poucas pessoas são versadas o suficiente na técnica pelo mundo para utilizar isso”, disse ele. “Então, este é um território desconhecido para eventos de perturbação de marés.”

Patra, Filippenko, Lu e o pesquisador da UC Berkeley Thomas Brink, o estudante de pós-graduação Sergiy Vasylyev e o pós-doutorado Yi Yang relataram suas observações em um  paper que foi aceito para publicação na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Uma nuvem 100 vezes maior que a órbita da Terra

Os pesquisadores da UC Berkeley calcularam que a luz polarizada foi emitida da superfície de uma nuvem esférica com um raio de cerca de 100 unidades astronômicas (au), 100 vezes mais distante da estrela do que a Terra está do Sol. Um brilho óptico de gás quente emanou de uma região a cerca de 30 au.

As observações espectropolarimétricas de 2019 – uma técnica que mede a polarização em muitos comprimentos de onda da luz – foram de AT2019qiz, um evento de perturbação de maré localizado em uma galáxia espiral na constelação de Eridanus. A polarização zero de todo o espectro em outubro indica uma nuvem de gás esfericamente simétrica, pois todos os fótons polarizados se equilibram. A leve polarização das medições de novembro indica uma pequena assimetria. Como essas perturbações de maré ocorrem tão longe, nos centros de galáxias distantes, elas aparecem apenas como um ponto de luz, e a polarização é uma das poucas indicações das formas dos objetos.

“Esses eventos de perturbação estão tão distantes que você não pode realmente desvendá-los, então você não pode estudar a geometria do evento ou a estrutura dessas explosões”, disse Filippenko. “Mas estudar a luz polarizada realmente nos ajuda a deduzir algumas informações sobre a distribuição da matéria nessa explosão ou, neste caso, como o gás – e possivelmente o disco de acreção – em torno desse buraco negro é formado.”