Astrônomos podem ter finalmente flagrado a transformação de uma estrela em buraco negro

QUANDO OS DINOSSAUROS ANDAVAM pela antiga Terra mais de 200 milhões de anos atrás, uma estrela imensa aproveitava seus últimos minutos de vida. A explosão cósmica resultante foi tão incomum que deixou os astrônomos confusos quando seu brilho finalmente alcançou nosso planeta em junho do ano passado.

Agora, a origem do misterioso lampejo pode ser revelada. Com base nas últimas observações da estranha supernova, apelidada de “Cow” (vaca, em inglês), uma equipe formada por 45 astrônomos alega que essa estrela pode representar a primeira vez que os humanos testemunham o momento exato em que a morte de uma estrela provoca o nascimento de um buraco negro.

“Ansiávamos por isso havia anos,” afirma Raffaella Margutti, líder da equipe, astrofísica da Universidade Northwestern. Margutti e seus colegas apresentaram seu estudo nesta semana na reunião anual da Sociedade Astronômica Americana em Seattle, Washington, e publicarão em breve as descobertas no periódico Astrophysical Journal.

Os dados da equipe, obtidos em diversos comprimentos de onda de luz, também podem significar que uma estrela imensa entrou em colapso e virou uma estrela de nêutrons, uma espécie de cadáver estelar denso. Outras equipes que estudam a Cow propuseram explicações alternativas para seu comportamento incomum. Então, o que sabemos sobre a Cow e por que a descrever é tão difícil para os astrônomos? Pode deixar que explicaremos adiante.

Onde está a Cow e por que ela é chamada assim?

A Cow explodiu nos arredores da CGCG 137-068, uma galáxia espiral anã a aproximadamente 200 milhões de anos-luz da Terra. Ela é chamada de “Cow” devido ao seu nome formal "AT2018cow", que é gerado automaticamente. Uma equipe de astrônomos utilizando telescópios ATLAS do Havaí a visualizou em 16 de junho de 2018, e identificou o objeto para outros astrônomos em 17 de junho—deflagrando uma corrida de telescópios virados para o local da explosão.

O que a Cow tem de tão diferente?

A Cow não é o primeiro brilho do tipo avistado no céu noturno, mas é o mais próximo já detectado, oferecendo aos pesquisadores uma oportunidade única de observação. Ele também ficou extremamente intenso com muita rapidez. No auge da Cow, ele era dezenas de vezes mais luminoso em raios X do que explosões estelares normais, chamadas de supernovas. A Cow alcançou o pico de seu brilho em apenas alguns dias, ao passo que as supernovas normais demoram semanas para atingirem o ápice.

Além disso, a fonte de energia da Cow não pôde ser imediatamente identificada. Normalmente, supernovas obtêm sua força explosiva a partir do níquel 56, um isótopo radioativo presente em seu interior. Contudo, quando os astrônomos calcularam quantos detritos tinham sido lançados pela Cow, eles chegaram a um montante surpreendentemente pequeno de detritos totais expelidos—talvez um décimo da massa do nosso Sol ou nem isso, o que é estranho porque supernovas normalmente expelem detritos equivalentes a dezenas de sóis.

Ainda que os detritos da Cow fossem formados totalmente pelo níquel 56, não haveria combustível suficiente para energizar a explosão observada. Além disso, os detritos continham hidrogênio e hélio, que os astrônomos não esperavam encontrar: as estrelas que explodem em supernovas já teriam queimado esses elementos como combustível nuclear há muito tempo.

A Cow também emitiu radiação de formas peculiares. Por exemplo, a equipe de Margutti solicitou que o  telescópio de raios X NuSTAR da NASA fosse apontado para o objeto. Os dados mostraram que, pouco mais de uma semana após seu primeiro surgimento, a Cow aumentou inesperadamente seu brilho em raios X de alta energia. “A primeira reação, quando obtivemos os dados, foi pensar que talvez tivéssemos cometido algum equívoco”, afirma Margutti.

A causa da Cow é conhecida?

O consenso atual é que a Cow possui um "motor central" compacto localizado em seu interior que expele raios X de alta energia. Esse objeto, o que quer que seja, está envolto por uma bolha nitidamente assimétrica de material expelido por algum tipo de explosão.

“Tem uma antiga piada que nós (os físicos) fazemos de que sempre criamos modelos baseados em vacas esféricas e ficou claro que essa vaca não era esférica (já que 'Cow' significa 'vaca' em inglês)” afirma Brian Metzger, coautor do estudo, físico da Universidade de Colúmbia. “É bem difícil explicar isso como um fenômeno esférico uma vez que, se a fonte dos raios X está alimentando a radiação óptica, então como os raios X estão chegando até nós?”

No modelo concebido pela equipe de Margutti, os detritos lançados dos polos do objeto se deslocam mais rápido—e se tornam transparentes mais cedo—que as nuvens ao redor do equador do objeto. Essas nuvens equatoriais absorveram os raios X de alta energia do motor, o que fez com que as nuvens se aquecessem e gerassem a luz visível da Cow. No entanto, alguns raios X de alta energia ainda conseguiram escapar dos polos mais claros da Cow.

Por ora, os sinais de rádio da Cow indicam que seu comportamento é como o efeito de um elefante em uma loja de cristais. Quando a Cow explodiu, alguns dos detritos do objeto foram lançados a quase 30 mil quilômetros por segundo ou até um décimo da velocidade da luz. Ao que parece, a parte mais rápida desses materiais se chocou contra um agrupamento denso de partículas ao redor da Cow, aquecendo o agrupamento e criando as emissões de rádio do objeto.

E essa história de "motor central" da Cow?

A equipe de Margutti acredita em duas hipóteses principais: a Cow poderia ser uma estrela de nêutrons altamente magnetizada girando aproximadamente mil vezes por segundo, e a outra possibilidade é que o objeto tenha surgido após uma explosão frustrada de um tipo enorme e muito quente de estrela denominada supergigante azul, que se tornou um buraco negro.

No último cenário, grande parte do interior da estrela entrou em colapso formando o buraco negro, porém as camadas mais externas da estrela não sentiram o efeito inicialmente. Com a aceleração do buraco negro do interior, ela perdeu um pouco de massa na forma de uma onda de partículas-fantasma, chamadas de neutrinos. O voo dos neutrinos para fora do centro da estrela expeliu parte do material externo antes que o buraco negro pudesse engoli-lo, e as sobras logo formaram um disco ao redor do buraco negro recém-nascido.

Alguma outra ideia do que possa ser a Cow?

Margutti e seus colegas não são os únicos a sugerir que a Cow tenha um motor central. Em um outro estudo aceito pelo Astrophysical Journal, uma equipe separada liderada por Anna Y. Q. Ho, astrônoma da Caltech, chegou a conclusões semelhantes.

Entretanto Daniel Perley, astrofísico da Universidade Liverpool John Moores, sugere, em seu próprio estudo, que a Cow pode ter surgido quando um buraco negro relativamente grande e já existente engoliu uma estrela parecida com o nosso Sol, em um fenômeno conhecido como interrupção de marés. Conforme a imensa gravidade do buraco negro destruía a estrela, seus gases podem ter acumulado ao redor do buraco negro na forma de um disco, criando o brilho singular da Cow durante o processo.

A questão é se faz sentido que um buraco negro dessa dimensão esteja localizado nos arredores de uma galáxia, em uma área que deveria ser densa e com a presença de gás, de acordo com os sinais de rádio da Cow. A teoria atual sustenta que buracos negros desse calibre deveriam se formar em aglomerados de estrelas, onde não há muito gás extra.

Margutti argumenta que o ambiente da Cow faria muito mais sentido se a neblina ao seu redor fosse formada por materiais lançados por uma estrela enorme que pudesse mais tarde entrar em colapso e se transformar em uma estrela de nêutrons ou buraco negro. Mas Perley ressalta que ainda não encontramos nem estudamos nenhum buraco negro com a variação de massa que a equipe dele alega ter, então não podemos saber ao certo se a teoria corresponde à realidade.

“A equipe [de Margutti] é formada por alguns dos especialistas mais gabaritados em supernovas, mas eu gostaria da opinião de especialistas em interrupção de marés para saber se eles conseguiriam tornar isso plausível”, afirma Perley.

E o que vem pela frente?

Observações da Cow por um período maior poderiam ajudar a trazer à tona a identidade de seu motor central. Se uma estrela de nêutrons magnetizada encontra-se no núcleo da Cow, conta Metzger, ela poderia enviar lampejos de raios X daqui a muitos anos. Um buraco negro, entretanto, não cintilaria dessa maneira.

Mas a maneira mais produtiva de saber mais sobre a Cow é encontrar mais objetos parecidos com ela. Somente agora os astrônomos descobriram como identificar esses lampejos de luz e aprenderam a acompanhá-los em tempo real, conforme mais telescópios robóticos entram em operação e mais estudos de larga escala ficam online.

“Esses estudos do céu noturno estão quase chegando a filmes... É empolgante”, afirma Metzger. “Não estamos apenas vendo o universo como algo estático, mas como algo que pode ser bem ativo, mesmo na escala de alguns dias.”