Por que as estrelas desaparecem misteriosamente do céu noturno?

Uma impressão técnica do sistema binário VTFS 243 Crédito: ESOL. Calzada CC BY 4.0

Astrofísicos da Universidade de Copenhague estão ajudando a explicar um fenômeno misterioso em que estrelas desaparecem repentinamente do céu noturno. O seu estudo de um sistema estelar binário incomum produziu evidências convincentes de que estrelas massivas podem colapsar completamente e tornar-se buracos negros sem uma explosão de supernova.

Um dia, a estrela no centro do nosso sistema solar, o Sol, começará a se expandir até engolir a Terra. Tornar-se-á então cada vez mais instável até eventualmente encolher num corpo pequeno e denso conhecido como anã branca.

No entanto, se o Sol tivesse aproximadamente oito ou mais vezes mais massa, provavelmente explodiria numa explosão massiva – na forma de uma supernova. O seu colapso causará uma explosão, lançando energia e massa para o espaço com uma força tremenda, antes de deixar para trás uma enorme massa de energia. Estrêla de Neutróns Ou um buraco negro em seu rastro.

Embora este seja um conhecimento básico sobre como as estrelas massivas morrem, ainda há muito a compreender sobre o céu estrelado e a morte espetacular destas estrelas em particular.

O sistema estelar binário VFTS 243 está localizado na galáxia anã “Grande Nuvem de Magalhães”, nas proximidades da Via Láctea. As Nuvens de Magalhães são galáxias satélites da Via Láctea. Estas galáxias anãs, que orbitam o centro galáctico, só podem ser vistas no Hemisfério Sul. Aqui, podem ser vistos acima dos telescópios auxiliares do Very Large Telescope (VLT) do Observatório Europeu do Sul, no Paranal, Chile. Crédito: JC Muñoz/ESO

Uma nova pesquisa realizada por astrofísicos do Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhague fornece a evidência mais forte até agora de que estrelas muito massivas podem sofrer furtividade e sigilo muito maiores do que as supernovas. Na verdade, a sua investigação sugere que com massa suficiente, a gravidade de uma estrela poderia ser tão forte que nenhuma explosão ocorreria quando ela morresse. Alternativamente, a estrela poderia sofrer o que é conhecido como colapso completo.

“Acreditamos que o núcleo da estrela pode colapsar sob o seu próprio peso, como acontece com estrelas massivas na fase final das suas vidas. Mas em vez de o colapso culminar numa explosão de supernova brilhante que ofusca a sua galáxia, as estrelas têm mais de oito vezes a massa. que se espera que exista.” Sol, o colapso continua até que a estrela se torne uma estrela. Buraco negro“Explica o primeiro autor Alejandro Vigna-Gomez, que era pesquisador de pós-doutorado no Instituto Niels Bohr quando este estudo começou.

Fatos e mitos: estrelas desaparecendo

Nos tempos modernos, tem havido muitas observações sobre Estrelas que desaparecem inexplicavelmente.

“Uma pesquisa sobre nada.” Liderado pelo astrofísico Chris Kochanek, é um exemplo de um esforço de investigação que procura ativamente o desaparecimento de estrelas e explicações para o seu desaparecimento.

O leitor curioso também pode se aprofundar nas descrições históricas. Muitas vezes tem algo a ver com o desaparecimento repentino de estrelas brilhantes, consistente com cenários de supernovas. Mas há outras histórias sobre estrelas que desaparecem repentinamente, como o mito grego associado ao aglomerado estelar das Plêiades, conhecido como as Sete Irmãs. O mito das Plêiades descreve as sete filhas do gigante Atlas e da ninfa Pleione. Segundo a lenda, uma de suas filhas se casou com um humano e se escondeu, o que fornece uma explicação pouco científica, mas bonita, de por que só vemos… Seis estrelas nas Plêiades.

Esta descoberta está relacionada com o fenómeno do desaparecimento das estrelas, que tem despertado o interesse dos astrónomos nos últimos anos, podendo fornecer um exemplo claro e uma explicação científica razoável para fenómenos deste tipo.

“Se alguém olhasse para uma estrela visível em colapso completo, poderia, com o tempo, ser como observar uma estrela se extinguir repentinamente e desaparecer do céu. O colapso foi tão completo que nenhuma explosão ocorreu, nada escapou e alguém veria. nenhuma supernova brilhante no céu noturno Os astrônomos já notaram o desaparecimento repentino de estrelas brilhantes recentemente. “Não podemos ter certeza de uma conexão, mas os resultados que obtivemos da análise do VFTS 243 nos aproximaram muito mais de uma explicação confiável”. diz Alejandro Vigna-Gómez.

Uma vista do Telescópio Espacial Webb da Nebulosa da Tarântula, onde o VTFS 243 está localizado. Crédito da imagem: NASA, ESA, CSA e STScI.

Um sistema estelar incomum sem sinais de explosão

A descoberta foi motivada pela recente observação de um sistema estelar binário incomum na borda da nossa galáxia chamado VFTS 243. Aqui, uma estrela massiva e um buraco negro aproximadamente dez vezes maior que o nosso Sol orbitam um ao outro.

Os cientistas sabem que tais sistemas estelares binários existem no universo via Láctea Durante décadas, uma estrela se transformou em um buraco negro. Mas a recente descoberta do VFTS 243, além da Via Láctea, na Grande Nuvem de Magalhães, é verdadeiramente especial.

Fatos: buracos negros

Nem mesmo a luz consegue escapar dos buracos negros. Como tal, não podem ser observados diretamente. No entanto, alguns buracos negros são reconhecíveis devido às grandes quantidades de energia libertadas pelos gases que os orbitam. Outros, como é o caso do VFTS 243, podem ser observados pela sua influência nas estrelas em torno das quais orbitam.

Em geral, os astrônomos acreditam que existem três tipos de buracos negros:

Buracos negros estelares — como o do VFTS 243 — formam-se quando estrelas com uma massa superior a oito vezes a massa do Sol entram em colapso. Os cientistas acreditam que pode haver até 100 milhões deles só na nossa galáxia.

Acredita-se que buracos negros supermassivos – com 100 mil a 10 bilhões de vezes a massa do Sol – existam no centro de quase todas as galáxias. Sagitário A* é o buraco negro supermassivo no centro da nossa galáxia, a Via Láctea.

Buracos negros de massa intermediária (IMBH) – 100 a 100.000 vezes a massa do nosso Sol – têm sido o elo perdido há muito tempo. Nos últimos anos, surgiram vários candidatos credíveis.

Existem também teorias que descrevem outros tipos de buracos negros, que ainda não foram descobertos. Supõe-se que um desses buracos, chamados buracos negros primordiais, tenha se formado no início do universo e poderia, teoricamente, ser microscópico.

“Normalmente, os eventos de supernova em sistemas estelares podem ser medidos de diferentes maneiras depois que acontecem. Mas apesar do VFTS 243 conter uma estrela que entrou em colapso em um buraco negro, nenhum vestígio de uma explosão foi encontrado em qualquer lugar. sistema.” “A órbita do sistema quase não mudou desde que a estrela entrou em colapso num buraco negro”, diz Alejandro Vigna-Gomez.

Os investigadores analisaram dados observacionais em busca de um conjunto de sinais que poderiam ser esperados de um sistema estelar que sofreu uma explosão de supernova no passado. Em geral, eles consideram as evidências de tal evento simples e pouco convincentes.

O sistema não mostra nenhum sinal de um “chute de nascimento” significativo, ou seja, a aceleração de objetos orbitais. É também muito simétrica, quase perfeitamente circular na sua órbita, e sinais residuais de libertação de energia durante o colapso do núcleo da estrela anterior indicam um tipo de energia consistente com o colapso completo.

“A nossa análise aponta inequivocamente para o facto de que o buraco negro em VFTS 243 provavelmente se formou instantaneamente, com energia perdida principalmente por neutrinos”, diz a professora Irene Tambora do Instituto Niels Bohr, que também esteve envolvida no estudo.

Um sistema de referência para estudos futuros

Segundo o professor Tambora, o VFTS 243 abre a possibilidade de comparar uma série de teorias astrofísicas e cálculos de modelos com observações reais. Ela espera que o sistema estelar seja importante para estudar a evolução e o colapso das estrelas.

“Os nossos resultados destacam o VFTS 243 como o melhor caso observável até agora da teoria de buracos negros estelares formados através de colapso completo, onde a explosão de supernova que os nossos modelos mostraram ser possível falha. ” diz o professor. “Certamente esperamos que seja “O sistema serve como uma referência crítica para pesquisas futuras sobre evolução e colapso estelar.”

Informações adicionais: “chute de nascimento” ausente e outros sinais (ausentes) de uma supernova

O “chute de nascimento” não existe

As forças violentas da supernova afetam diretamente as estrelas de nêutrons recém-nascidas ou os buracos negros deixados para trás, devido à emissão assimétrica de matéria durante a explosão. Isto é o que os pesquisadores chamam de “chute de nascimento”. Este chute faz com que o corpo comprimido acelere. O impulso do nascimento normalmente dá às estrelas de nêutrons uma velocidade mensurável entre 100 e 1.000 quilômetros por segundo. Espera-se que a velocidade seja menor para buracos negros, mas ainda é significativa.

Dado que o buraco negro em VFTS 243 parece ter acelerado para aproximadamente 4 km/s, não mostra sinais de ter recebido um grande impulso de nascimento, como seria de esperar se tivesse passado por uma supernova.

Da mesma forma, a simetria da órbita de um sistema estelar geralmente mostra sinais de que ele sentiu o impacto de uma violenta explosão de supernova, devido à ejeção de matéria que ocorre. Em vez disso, os pesquisadores encontraram simetria.

“A órbita do VFTS é quase circular e a nossa análise indica que não há sinais de assimetria significativa durante o colapso. Isto indica novamente que não houve explosão”, diz Alejandro Vigna Gomez.

Explosão de energia

Ao analisar a órbita do sistema estelar binário, a equipe também conseguiu calcular a quantidade de massa e energia liberada durante a formação do buraco negro.

As suas estimativas enquadram-se num cenário em que o pequeno impulso que ocorreu durante o colapso estelar não foi causado pela matéria bariónica, que inclui neutrões e protões, mas pelos chamados neutrinos. Os neutrinos têm muito pouca massa e interagem muito fracamente. Este é mais um indício de que o sistema não sofreu explosão.

Referência: “Restrições aos chutes de neutrinos natais do buraco negro binário VFTS 243” por Alejandro Vigna-Gomez, Reinhold Wilcox, Irene Tambora, Ilya Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Hans-Thomas Janka, Daniel Kress, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar e Thomas M.. Torres, 9 de maio de 2024, Cartas de revisão física.
doi: 10.1103/PhysRevLett.132.191403

Os seguintes pesquisadores contribuíram para a pesquisa:

Alejandro Vigna-Gomez, Irene Tambora, Hans Thomas Janka, Daniel Kress, Reinhold Wilcox, Elia Mandel, Matteo Renzo, Tom Waag, Julia Bodensteiner, Tomer Shenar, Thomas M. Torres

Os investigadores pertencem a diversas instituições de investigação:

• Instituto Niels Bohr, Universidade de Copenhague – Academia Internacional e Dark
• Instituto Max Planck de Astrofísica, Garching, Alemanha
• Instituto de Astronomia, Universidade de Leuven, Leuven, Bélgica
• Escola de Física e Astronomia, Monash University, Clayton, Austrália
• Centro de Excelência ARC para Detecção de Ondas Gravitacionais, Osgraph, Austrália
• Centro de Astrofísica Computacional, Flatiron Institute, Nova York, EUA
• Observatório Steward, Universidade do Arizona, Tucson, EUA
• Departamento de Astronomia, universidade de WashingtonSeattle, EUA
• Universidade Técnica de Munique, Faculdade de Ciências Naturais TUM, Departamento de Física, Garching, Alemanha
• Observatório Europeu do Sul, Garching, Alemanha
• Faculdade de Física e Astronomia, Universidade de Tel Aviv, Tel Aviv, Israel
• Universidade de Aalborg, Aalborg, Dinamarca