Aquele invulgar brilho no céu era um buraco negro a nascer?

Da observação de um “brilho espectacularmente fora do normal” ao devorador de estrelas, passando por ecos de luz e buracos negros supermaciços. Quatro histórias sobre estrelas que entraram em colapso e várias questões que diferentes equipas de cientistas têm tentado responder nos últimos tempos.

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Ilustração de um estrela de neutrões (à esquerda) e de um buraco negro (à direita) D. Maturana/NOAO/AURA/NSF/NASA/Universidade Estadual da Pensilvânia/Casey Reed

16 de Junho de 2018. Os telescópios gémeos ATLAS – no Havai – encontraram na constelação de Hércules “um brilho espectacularmente fora do normal” a 200 milhões de anos-luz. De imediato, foi enviado um telegrama astronómico e atribuído o nome de AT2018cow. Esta observação captou logo a atenção de dezenas de equipas de cientistas. Agora, num artigo científico na revista The Astrophysical Journal, uma equipa liderada por Raffaella Margutti – astrofísica da Universidade do Noroeste, nos EUA – apresenta as suas análises ao AT2018cow e especula: esta é a primeira vez que se viu o nascimento de um buraco negro ou de uma estrela de neutrões. 

Tudo aconteceu numa galáxia anã relativamente próxima da Terra chamada “CGCG 137-068”: viu-se que o AT2018cow era entre dez a 100 vezes mais brilhante do que uma típica supernova (estrela que morre e provoca uma explosão brilhante) e que surgiu e desapareceu mais depressa do que outras explosões estelares. Em apenas 16 dias, este objecto transiente já tinha emitido a maior parte da sua energia. “Soubemos logo que essa fonte [de luz] passou de inactiva para o seu pico de luminosidade máxima em poucos dias. Foi o suficiente para todos ficarmos muito entusiasmados porque era algo fora do normal e que aconteceu muito perto de nós”, salienta a astrofísica.

Raffaella Margutti acompanha a descoberta do AT2018cow – que tem a alcunha de The Cow (em português significa vaca) por coincidência tendo em conta a sequência aleatória de letras atribuída para nomear o objecto – desde o primeiro dia. Afinal, também recebeu o telegrama: “Pensámos que deveria ser uma supernova, mas o que observámos desafiava as nossas noções de morte estelar”, indica a astrofísica.

Depois dos ATLAS, a equipa de Raffaella Margutti usou observações de outros telescópios e examinou o AT2018cow com raios X dez vezes mais fortes do que os normais. O que se concluiu? Que se captou o exacto momento em que uma estrela entrou em colapso para se transformar num buraco negro ou numa estrela de neutrões. “Os detritos estelares, que se aproximaram e giraram à volta do ponto de não-retorno do objecto, causaram o brilho extremamente luminoso”, lê-se num comunicado sobre o trabalho. 

Para a equipa, o AT2018cow pode ajudar a desvendar os primeiros momentos do surgimento de um buraco negro ou de uma estrela de neutrões. “Através da teoria, sabemos que os buracos negros e as estrelas de neutrões se formam quando as estrelas morrem, mas nunca o tínhamos visto depois do seu nascimento”, diz Raffaella Margutti. Tanto um buraco negro como uma estrela de neutrões resultam de uma supernova. Uma estrela em contracção com o dobro da massa do Sol torna-se numa supernova e depois numa estrela de neutrões. Já uma estrela ainda mais maciça (com mais de três massas solares), depois da fase de supernova, transforma-se num buraco negro.

Outra equipa liderada por Anna Ho – do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), nos EUA – também refere num artigo já aceite para publicação na The Astrophysical Journal que o AT2018cow “é provavelmente algum tipo de explosão estelar”, como a própria disse ao PÚBLICO. “Pela observação dos dados dos telescópios de raio X, concluímos que não foi apenas uma libertação de energia vinda de uma explosão – deverá ser algum tipo de produção contínua de energia, um ‘motor’ que funciona continuamente”, explica.

“Até agora, este é o objecto transiente deste tipo mais próximo que encontrámos”, frisa por sua vez Raffaella Margutti. E refere que foi encontrado sobretudo por duas razões: devido aos levantamentos frequentes dos ATLAS e porque tinha muito pouca massa à sua volta. “Teria sido difícil vê-lo numa explosão estelar normal, mas o The Cow tinha muito pouca massa à sua volta, o que nos permitiu ver o motor central da radiação directamente.”

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AT2018Cow 80 dias depois da explosão Raffaella Margutti/Universidade do Noroeste

No futuro, a equipa de Raffaella Margutti quer estudar a população de estrelas onde o AT2018cow surgiu. “Queremos perceber como se produziu o The Cow.” Quanto à questão se é mais provável que seja um buraco negro ou uma estrela de neutrões, a astrofísica responde: “Haverá ainda outras oportunidades para responder a essa questão e saber o que realmente é.”

Ecos de luz

Mas há mais revelações sobre buracos negros por estes dias. A equipa de Erin Kara (da Universidade de Maryland, nos EUA) apresentou os resultados do seu estudo sobre a evolução da emissão de raios X dos buracos negros na revista Nature. A 11 de Março de 2018, um instrumento a bordo da Estação Espacial Internacional detectou uma explosão de raios X do buraco negro MAXI J1820+070 (ou apenas J1820) a dez mil anos-luz. “O [instrumento] NICER permitiu-nos medir os ecos da luz [de raio X] mais perto da massa estelar de um buraco negro do que alguma vez se tinha conseguido”, refere Erin Kara, acrescentando que antes estes “ecos” só tinham sido observados em buracos negros supermaciços.

Relativamente pequeno (tem dez vezes a massa do nosso Sol), o J1820 é um buraco negro estelar. Estes buracos negros resultam da morte de uma estrela gigante, em que a matéria cede à gravidade e entra em colapso sobre si própria. Desta forma, surgem objectos densos em que nem a luz consegue escapar. Já os buracos negros supermaciços são mais densos e podem ter surgido do colapso de nuvens de gás gigantes ou de aglomerados de estrelas, quando o Universo era muito mais jovem.

“Buracos negros como o J1820 têm massas muito mais baixas e evoluem muito mais depressa, por isso podemos ver as suas mudanças em escalas de tempo humanas”, refere Erin Kara. Desta vez, através do J1820, ficámos com uma imagem mais clara da evolução da emissão de raios X de buracos negros.

Através do NICER, a equipa conseguiu recolher dados muito precisos do J1820: “A equipa apanhou os 'ecos' entre os fotões de baixa energia (que devem ter sido inicialmente emitidos pelo disco de acreção, estrutura de materiais difusos ao redor do buraco negro) e dos fotões de alta energia (raios X que provavelmente interagiram com os electrões da corona, região de partículas subatómicas aquecidas por cima ou por baixo desse disco)”, lê-se num comunicado do Instituto de Tecnologia do Massachusetts (MIT). Durante um mês, observou-se que o intervalo entre esses ecos diminuiu significativamente, indicando que a distância entre a corona e o disco encolheu. Portanto, quem controla a evolução da explosão de raios X?

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Ecos de raios X detectados pelo instrumento NICER da NASA NASA

A equipa verificou que a corona se contraiu verticalmente de cerca de 100 quilómetros para dez quilómetros. Ou seja, viu-se que a evolução de raios X é controlada pela contracção da corona e não por mudanças de tamanho do disco de acreção.“É a primeira vez que provamos que a corona encolhe durante esta fase da evolução da explosão”, refere Jack Steiner, do MIT e outro dos autores do artigo, que foi capa da Nature.

Devorar uma estrela

Já o buraco negro estudado pela equipa de Dheeraj Pasham (do MIT) é supermaciço, encontra-se no centro de uma galáxia a cerca de 300 milhões de anos-luz de nós e foi observado em 2014 a “devorar” uma estrela. Quando a estrela é destruída, acontece uma explosão em que há a libertação de energia (nomeadamente emissão de raios X), chamada “efeito de maré​”.

“Observou-se uma explosão de raios X surpreendentemente forte, estável e periódica que parecia vir de muito perto da borda do buraco negro. Durante 450 dias, o sinal pulsou a cada 131 segundos e era extremamente intenso – cerca de 40% acima da média do brilho dos raios X de um buraco negro”, refere-se num outro comunicado também do MIT. Desde então, recolheram-se dados de vários telescópios.

O que se descobriu agora? “Descobriu-se que há uma modulação regular na radiação de raios X do buraco negro supermaciço depois de ter destruído uma estrela, o que fornece informação sobre quão rápido o buraco negro gira”, indica Dheeraj Pasham, um dos autores do trabalho publicado na revista Science. A equipa estima que este buraco negro gire pelo menos a 50% da velocidade da luz (150 mil quilómetros por segundo). “Até não é muito rápido – há outros buracos negros que giram a cerca de 99% da velocidade da luz. Mas é a primeira vez que somos capazes de usar o efeito de maré para delimitar a rotação de um buraco negro supermaciço”, refere o cientista.

Através desta metodologia, Dheeraj Pasham espera que se consiga construir uma função de distribuição da rotação dos buracos negros supermaciços, para que se compreenda toda a sua evolução. Para isso, terão de ser detectados mais buracos negros a devorar estrelas.

Esta semana na Nature, outra equipa de cientistas apresentou novos resultados sobre a formação de buracos negros supermaciços. Resumindo, concluiu-se que os buracos negros supermaciços se formam em regiões sem estrelas que estão em rápido crescimento. “[E​stes buracos negros] dependem de nuvens de gás que levam à criação de galáxias”, disse à CNN John Wise, do Instituto de Tecnologia da Geórgia e um dos autores do trabalho. Antes, pensava-se que isto apenas acontecia em regiões bombardeadas pela radiação de galáxias. Além disso, também se percebeu que os buracos negros supermaciços são mais comuns no Universo do que se pensava.

Nos últimos tempos, temos tido várias novidades sobre buracos negros e mais se seguirão. Afinal, como escrevia o astrónomo Carl Sagan no seu livro Cosmos (Gradiva, 2012) “um buraco negro é uma espécie de poço sem fundo”.