Erupção colossal pode ser a primeira evidência de que energia pode ser extraída de buracos negros

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Impressão artística da GRB 190114C. Créditos: ESA / Hubble / M. Kornmesser.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

A concepção popular diz que nada pode escapar de um buraco negro. Uma vez que algo passa pelo horizonte de eventos – o chamado ponto de não retorno – ele fica lá, para sempre, limitado por um campo gravitacional que nem mesmo a luz consegue escapar.

Mas um buraco negro em rotação gera grande quantidade de energia que, teoricamente, pode ser extraída da ergosfera, uma região que fica colada com o horizonte de eventos. Isso foi demonstrado tanto de forma teórica quanto experimentalmente – e agora uma equipe de astrofísicos encontrou o que eles acreditam ser uma evidência observacional para isso.

A prova cabal é a erupção de raios gama mais poderosa que já detectamos, GRB 190114C, uma erupção colossal com um pulso de cerca de um trilhão de elétron-volts (1 TeV), a 4,5 bilhões de anos-luz de distância.

“Erupções de raios gama, os objetos transitórios mais poderosos no céu, liberam energias de até 1054 erg em apenas alguns segundos”, disse o astrofísico Remo Ruffini do Centro Internacional para Rede de Astrofísica Relativística (ICRANet), com sede na Itália.

“Sua luminosidade nos raios gama, no intervalo de tempo do evento, é tão grande quanto a luminosidade de todas as estrelas do Universo observável! Nós vínhamos pensando que as erupções de raios gama eram alimentadas por um até agora mecanismo desconhecido de buracos negros de massa estelar”.

No ano passado, Ruffini e seus colegas descobriram uma solução para esse mecanismo – um processo que eles chamaram de hipernova orientada por uma sistema binário.

Ele começa com um sistema binário próximo que consiste em uma estrela de carbono-oxigênio no final de sua vida e uma estrela de nêutrons. Quando a estrela de carbono-oxigênio se transforma em supernova, o material ejetado pode ser rapidamente sugado pela estrela de nêutrons companheira. Assim, essa companheira passa do ponto de massa crítica e colapsa em um buraco negro, que lança uma erupção de raios gama, bem como jatos de material de seus polos quase à velocidade da luz.

(O núcleo da estrela de carbono-oxigênio colapsa em uma segunda estrela de nêutrons, resultando em um sistema binário de buraco negro-estrela de nêutrons.)

Agora, em um novo estudo, Ruffini e seus colegas em uma equipe liderada por Rahim Moradi do ICRANet descreveram o mecanismo que pode lançar uma erupção de raios gama de alta energia: a aceleração de partículas ao longo de linhas de campo magnético herdadas da estrela de nêutrons-mãe do buraco negro. Esse campo magnético extrai energia rotacional da ergosfera do buraco negro.

“O novo motor apresentado na nova publicação”, explicou Ruffini, “faz o trabalho por meio de um processo puramente relativístico geral e gravito-eletrodinâmico: um buraco negro em rotação, interagindo com um campo magnético circundante, cria um campo elétrico que acelera os elétrons do ambiente para energias ultra-altas levando a radiação de alta energia e raios cósmicos de energia ultra-alta”.

Jatos relativísticos, ou jatos próximos à velocidade da luz, não são incomuns em núcleos galácticos ativos – os monstruosos buracos negros supermassivos no centro das galáxias. Acredita-se que esses jatos se formem a partir do processo de acreção, que ocorre da seguinte maneira.

Um enorme disco de material gira em torno do buraco negro ativo, caindo nele a partir da borda interna, mas nem todo esse material cai no buraco negro. Parte dele, acreditam os astrônomos, é canalizado e acelerado ao longo das linhas do campo magnético ao redor do buraco negro até os polos, onde é lançado no espaço na forma de jatos colimados.

Sabemos que buracos negros e estrelas de nêutrons podem ter campos magnéticos poderosos, e as evidências sugerem que estes podem atuar como um síncrotron (um tipo de acelerador de partículas). As evidências também sugerem que um síncrotron de campo magnético desempenha um papel no lançamento de uma erupção de raios gama durante a formação de um buraco negro.

Estudando GRB 190114C, Moradi e sua equipe encontraram um mecanismo semelhante – mas, em vez de um processo de emissão contínua, é discreto, repetindo-se continuamente, liberando a cada vez um quantum de energia do buraco negro para produzir a emissão de raios gama observada após a erupção de raios gama.

Com base nas observações da GRB 190114C, a equipe foi capaz de reconstruir a sequência de eventos.

A estrela de carbono-oxigênio se transforma em supernova, enquanto o núcleo colapsa em uma estrela de nêutrons; parte desse material ejetado cai de volta na estrela de nêutrons recém-formada, produzindo um brilho de raios-X – conforme observado pelo telescópio Swift.

Parte do material também cai sobre a estrela de nêutrons, empurrando-a além do limite de massa para formar um buraco negro – esse processo seria muito rápido, levando apenas 1,99 segundo. Em seguida, o material continua a cair no buraco negro recém-formado, produzindo uma erupção de raios gama de 1,99 a 3,99 segundos.

Finalmente, mais material caindo no buraco negro resulta na formação de jatos e radiação gama na faixa de gigaelétron-volt, a partir da extração de energia rotacional.

Outros cientistas podem discordar das descobertas; uma equipe descobriu no ano passado que a erupção de raios gama era o resultado de um campo magnético em colapso, por exemplo. Pode nem mesmo se aplicar a todas as erupções de raios gama. No entanto, todas as partes parecem se adequar perfeitamente às observações da GRB 190114C.

“A prova de que podemos usar a energia rotacional extraível de um buraco negro para explicar as emissões de alta energia de erupções de raios gama e núcleos galácticos ativos está evidente por si só”, disse Ruffini.

“Uma longa marcha de sucessivos progressos teóricos e novas descobertas físicas usando observações de erupções de raios gamas trouxeram esse resultado que era esperado há cerca de 50 anos pela astrofísica relativística”.

A pesquisa foi publicada na Astronomy & Astrophysics.