Cientistas podem ter encontrado um buraco negro ‘elo perdido’ rasgando e devorando uma estrela

Os TDEs geralmente ocorrem quando as estrelas se aventuram muito perto do buracos negros supermassivos que ficam no coração de grandes galáxias, resultando na imensa gravidade desses titãs cósmicos esmagando simultaneamente o corpo estelar horizontalmente enquanto o estica verticalmente. Essa “espaguetificação” cria um macarrão estelar envolvendo o buraco negro. Alguns dos restos são alimentados ao buraco negro central, enquanto grande parte dele é expelida a velocidades próximas da da luz na forma de jatos de alta energia. Esses eventos podem levar centenas de dias ou até anos para desaparecer.

Esta explosão óptica, designada AT2022zod, foi detectada em outubro de 2022 e durou pouco mais de um mês. Foi rastreado até a galáxia SDSS J105602.80+561214.7, localizada a cerca de 1,5 bilhão de anos-luz de distância de Terra. O que foi intrigante sobre isto foi o facto de o TDE ter ocorrido a cerca de 10.000 anos-luz de distância do centro desta galáxia, onde reside o seu buraco negro supermassivo. Essa foi a primeira indicação de que não se tratava de um buraco negro supermassivo central, mas de um buraco negro não central de massa intermediária.

Quando observados a distâncias tão grandes como esta, os TDEs geralmente duram centenas de dias, tornando a duração de um mês do AT2022zod, de 13 de outubro a 18 de novembro, altamente incomum. “A combinação de ser hospedada por uma galáxia elíptica, famosa por abrigar grandes populações de aglomerados de estrelas, embora não seja nuclear e de curta duração, deixou-nos intrigados com o fato de que este pode ser um dos indescritíveis buracos negros de massa intermediária que podem existir fora do centro da galáxia e, mais importante, abrir um novo caminho para procurá-los e estudá-los”, continuou Dage.

Acredita-se que os buracos negros supermassivos tenham massas milhões ou bilhões de vezes maiores que a do sol enquanto se pensa que buracos negros de massa estelar, que se formam a partir de estrelas massivas moribundas, têm massas de três a muitas centenas de vezes a massa do Sol. Isso deixa uma enorme faixa de massa entre esses dois tipos de buracos negros, onde se pensa que se situam os buracos negros de massa intermediária apropriadamente chamados.

Como se pensa que os buracos negros supermassivos crescem através de cadeias de fusão entre buracos negros cada vez mais massivos, é razoável presumir que os buracos negros de massa intermédia desempenham um papel fundamental neste processo de crescimento. Isso significa que os buracos negros nesta faixa de massa deveriam ser bastante onipresentes no cosmos, mas os astrônomos tiveram muita dificuldade em descobri-los.

“Acho que é realmente difícil exagerar o quão ruins somos em encontrar buracos negros de massa intermediária. Somos excelentes em encontrar buracos negros supermassivos e, graças aos detectores de ondas gravitacionais LIGO-Virgo-Kagra, estamos melhorando em encontrar buracos negros de massa estelar, mas eu poderia contar em minhas mãos o número de candidatos a buracos negros de massa intermediária que alcançaram algum tipo de consenso dentro da comunidade astronômica”, disse Dage. “Até este ponto, sabe-se da existência de TDEs de buracos negros intermediários, mas são muito difíceis de observar. Eles são na maioria das vezes ofuscados por outras atividades na região central da galáxia.”

Os astrónomos conseguem distinguir entre TDEs causados ​​por buracos negros intermédios e aqueles gerados quando buracos negros supermassivos destroem estrelas devido à localização em que ocorrem e à duração destes eventos.

“Com a nossa compreensão atual do comportamento do TDE, sabemos que a duração do evento varia conforme a massa do buraco negro, portanto, sendo todas as outras coisas iguais, a escala de tempo mais curta aponta para buracos negros de massa menor”, disse Dage. “O que me convenceu de que o AT2022zod era especial foi quando o comparei com outros TDEs a distâncias semelhantes ou com galáxias hospedeiras semelhantes, e não se encaixou no mesmo comportamento.”

A descoberta deste TDE fora do centro também poderá revelar mais sobre o ambiente ocupado por este buraco negro de massa intermédia. Por exemplo, é bastante evidente que os TDEs são muito mais prováveis ​​de ocorrer em regiões onde as estrelas estão densamente aglomeradas. “Se você não estiver em algum tipo de aglomerado estelar, geralmente o aglomerado estelar nuclear central da galáxia hospedeira, então você simplesmente não terá um TDE, porque as chances de uma determinada estrela passar perto do buraco negro são muito baixas”, disse Dage. Esta densidade estelar é encontrada no coração das galáxias, mas também existem regiões não centrais de galáxias nas quais as estrelas também estão fortemente aglomeradas.

Buracos negros supermassivos falharam?

A equipe teoriza que este TDE ocorreu em um aglomerado globular ou em uma galáxia anã ultracompacta (UCD) dentro do próprio SDSS J105602.80+561214.7. Tanto os aglomerados globulares quanto os UCDs são conglomerados densamente compactados de estrelas antigas que chegam ao fim de suas vidas.

“Estes sistemas são basicamente fábricas de buracos negros, e os seus sistemas lotados e dinâmicos oferecem oportunidades para os buracos negros se fundirem e crescerem na faixa de massa intermediária, particularmente através de colisões estelares descontroladas”, disse Dage. “Quando você combina isso com a evidência observacional para estudos cinemáticos de buracos negros em UCDs, torna-os ambientes muito atraentes para hospedar buracos negros de massa intermediária!”

As origens dos UCDs estão atualmente envoltas em mistério. Estas regiões estelares densas podem surgir quando dois aglomerados globulares se aproximam, colidem e se fundem, ou os UCDs podem ser anões galáxias que foram despojados de suas estrelas externas, deixando-os como um núcleo galáctico despojado, compacto e denso.

“Estes dois cenários de formação diferentes têm implicações muito diferentes para a evolução dos buracos negros. Se forem núcleos despojados, então são buracos negros supermassivos ‘fracassados’, com um caminho de formação semelhante aos buracos negros supermassivos e grandes galáxias,” explicou Dage. “Se forem apenas grandes aglomerados globulares, então as coisas poderiam ser completamente diferentes, e a dinâmica desempenha um papel vital na formação e evolução dos buracos negros.”

Dage disse que os cientistas sabem que as galáxias elípticas hospedam sistemas estelares de aglomerados globulares e UCDs, mas neste caso, a galáxia hospedeira está tão distante que a equipe não consegue desembaraçar a natureza do ambiente real de AT2022zod. “Sabemos que está em algum tipo de aglomerado estelar”, disse Dage. “Eu pessoalmente adoraria que estivesse num aglomerado globular, mas pelo que sabemos de mais sistemas próximos, um UCD faz muito sentido como hospedeiro no universo próximo.”

Ela acrescentou que muitos estudos da física dos UCDs mostram que eles hospedam buracos negros na faixa de massa estimada para AT2022zod. Isto inclui um sistema na Via Láctea chamado Omega Centauri, embora Dage tenha apontado que ainda há algum debate sobre se este aglomerado estelar densamente compactado na nossa galáxia é um UCD ou um aglomerado globular.

Embora o ambiente do TDE AT2022zod possa permanecer um mistério no futuro próximo, a investigação da equipa poderá fornecer um roteiro muito necessário para a descoberta de buracos negros intermédios, que se tornará especialmente relevante quando o Observatório Vera C. Rubin começa a conduzir sua Pesquisa Legada de Espaço e Tempo (LSST) de uma década.

“Rubin está preparado para causar um impacto tão grande – fornecerá uma cobertura óptica incrivelmente sensível durante 10 anos de milhões de aglomerados de estrelas num raio de 330 milhões de anos-luz, e deverá ser sensível a populações de TDEs hospedados em ambientes estelares densos,” concluiu Dage. “Precisamos apenas ter certeza de que estamos procurando nos lugares certos, podemos fazer um acompanhamento imediato para entender melhor a física e o sistema hospedeiro, e sermos capazes de interpretar o que vemos”.

Os resultados da equipe estão disponíveis no site do repositório de artigos arXiv.