O que a extinção de uma estrela maciça nos ensina sobre a origem dos buracos negros
Na galáxia de Andrômeda, uma estrela 13 vezes mais maciça que o Sol desapareceu sem deixar vestígios de seu brilho característico. Entre 2014 e 2024, o brilho da M31-2014-DS1 (o nome técnico dessa estrela supergigante) reduziu-se a apenas um décimo de milésimo de seu brilho anterior no espectro visível e no infravermelho próximo. De repente, ela tornou-se praticamente indetectável pelos instrumentos óticos atuais. O que teria acontecido?
Em um estudo publicado recentemente na prestigiada revista científica Science, pesquisadores americanos deram uma explicação para esse fenômeno: uma transformação não violenta de M31-2014-DS1 em um buraco negro estelar com cerca de 5 massas solares. Os novos resultados desafiam as teorias tradicionais sobre a formação desses fascinantes objetos astronômicos e abrem a possibilidade de que estrelas menos maciças também terminem sua existência na forma de um buraco negro. Além disso, eles poderiam nos ajudar a identificar buracos negros estelares em regiões do Cosmos onde não há sinais de uma explosão de supernova.
Mas quais são as considerações atuais sobre a formação de buracos negros a partir de uma estrela maciça?
Uma explosão estelar violenta se assemelha à vida de um ser vivo: à medida que envelhece, a estrela sofre mudanças em sua estrutura e composição. Enquanto uma estrela se encontra na sequência principal (onde passará a maior parte de sua existência), as reações de fusão nuclear em seu interior convertem o hidrogênio em hélio. Isso gera uma pressão que contrabalança a própria gravidade da estrela. Quando o combustível se esgota, o equilíbrio é rompido e a gravidade supera a pressão interna, provocando seu colapso. Assim, as estrelas com massa entre 15 e 20 vezes maior que a do Sol formarão um buraco negro. Durante o colapso estelar, uma grande quantidade de neutrinos (partículas sem carga e muito leves criadas durante as reações de fusão em seu núcleo) é gerada. Como consequência, ocorre uma poderosa onda de choque que rasga a estrela em uma supernova e expele seu material estelar para o exterior. Em um breve instante, essas explosões de supernova liberam enormes quantidades de energia, superando a emissão energética do Sol durante toda a sua existência.
Outra hipótese, no entanto, apresenta um cenário distinto e menos violento para o destino final de uma estrela maciça: as supernovas fracassadas. O nascimento tranquilo de um buraco negro pode ocorrer quando a onda de choque gerada no colapso é fraca demais para expelir violentamente o material estelar. Nesse caso, a estrela implode serenamente, transformando-se em um buraco negro sem explosão aparente. O que acontece então com as camadas de gás mais externas? A chave está nas correntes de convecção no interior de uma estrela. Com um núcleo extremamente quente e camadas externas muito mais frias, gera-se uma circulação de gás entre ambas as regiões. Quando o núcleo colapsa, o gás externo continua em movimento e as camadas mais externas são empurradas para fora. Esse movimento convectivo impede que a maior parte do material caia diretamente no buraco negro recém-formado. À medida que o material ejetado se afasta, sua temperatura diminui e seus átomos e moléculas começam a se combinar para formar poeira estelar, que absorve a energia gerada pelo gás quente e a reemite na forma de radiação infravermelha, resultando em um novo objeto astrofísico que brilha com um tom avermelhado característico.
O escurecimento progressivo da M31-2014-DS1 serve como um lembrete do que poderia ocorrer no nosso céu. Imaginemos que a estrela mais brilhante vista da Terra, Sirius, desaparecesse completamente. Alguns anos atrás, a estrela supergigante vermelha M31-2014-DS1 desapareceu sem deixar vestígios. Estrelas cujo brilho varia periodicamente, como as variáveis cefeidas ou as binárias eclipsantes, são mais comuns do que aqueles que diminuem gradualmente até se tornarem invisíveis aos telescópios. Os pesquisadores examinaram os dados coletados por diversos observatórios espaciais e terrestres entre 2005 e 2023, incluindo a missão NEOWISE da NASA e o telescópio Samuel Oschin do Observatório Palomar. Os resultados foram contundentes: a estrela M31-2014-DS1 começou a emitir luz infravermelha em 2014, aumentando seu brilho até 2016. A partir de então, seu brilho diminuiu drasticamente. Em 2022 e 2023, a estrela havia praticamente se extinguido visivelmente, sendo detectada apenas em luz infravermelha média.
Os descobrimentos sobre a formação de buracos negros estão em constante avanço. Até agora, a busca por buracos negros estelares se apoiava na análise dos restos de supernovas, que são eventos muito luminosos, tornando sua localização mais acessível. Com as novas informações, caso as supernovas fracassadas sejam comuns, o número de buracos negros estelares poderia ser muito maior do que o esperado. Além disso, isso leva a questionar a abundância de elementos pesados no Universo, que se pensava provir exclusivamente das explosões de supernovas. Esta descoberta tem o potencial de reescrever a forma como compreendemos o destino final de algumas das estrelas mais maciças.
*Óscar del Barco Novillo é professor associado do Departamento de Física da Universidade de Murcia. **Este artigo foi adaptado de um texto originalmente publicado no site da The Conversation Brasil.