Novas simulações esclarecem a destruição estelar por buracos negros supermassivos

Os astrónomos da Universidade Monash contribuíram para um avanço na compreensão do destino dramático das estrelas que se aproximam demasiado de buracos negros supermaciços nos centros das galáxias.

Através de simulações inovadoras, uma equipa de investigação internacional, liderada pelo Professor Daniel Price e pelo antigo aluno David Liptai, da Escola de Física e Astronomia, captou o complexo processo de como estas estrelas são despedaçadas e consumidas pelos buracos negros, fornecendo novos conhecimentos sobre as misteriosas emissões óticas e de UV observadas durante estes acontecimentos catastróficos.

“Esta é a primeira simulação autoconsistente de uma estrela a ser perturbada taticamente por um buraco negro supermaciço, seguida da evolução dos detritos resultantes ao longo de um ano”, afirma o Professor Price.

“As nossas simulações fornecem uma nova perspetiva sobre os momentos finais das estrelas na vizinhança de buracos negros supermaciços”.

“Ao captar a evolução completa dos detritos, podemos tentar ligar as simulações ao número crescente de eventos de destruição de estrelas observados por telescópios”, acrescenta.

O estudo, publicado no Astrophysical Journal Letters, constitui um avanço significativo no domínio da astrofísica, abrindo novas vias de investigação sobre o comportamento da matéria em campos gravitacionais extremos e sobre os ciclos de vida das estrelas e dos buracos negros.

Quando uma estrela passa demasiado perto de um buraco negro supermassivo, as forças gravitacionais intensas separam-na num processo conhecido como evento de rutura por maré (TDE). Os detritos da estrela criam uma corrente que acaba por alimentar o buraco negro e formam um disco rodopiante à volta do buraco negro, que emite radiação intensa em todo o espetro eletromagnético. No entanto, muitos aspetos dos TDEs permanecem mal compreendidos.

As novas simulações mostram que esses detritos formam uma bolha assimétrica em torno do buraco negro, reprocessando a energia e produzindo as curvas de luz observadas com temperaturas mais baixas, luminosidades mais fracas e velocidades de gás de 10.000-20.000 km/s.

“O estudo ajuda a explicar várias propriedades intrigantes dos TDEs observados”, diz o Professor Price. “Uma boa analogia é o corpo humano: quando almoçamos, a temperatura do nosso corpo não muda muito, isto porque reprocessamos a energia do almoço em comprimentos de onda infravermelhos. Um TDE é semelhante, na maior parte das vezes não vemos o estômago do buraco negro a comer gás, porque é abafado por material que reemite em comprimentos de onda óticos. As nossas simulações mostram como ocorre este abafamento”.

Outros mistérios explicados pelas novas simulações incluem:

• Porque é que os eventos de rutura de maré são observados em comprimentos de onda óticos e não em raios X, onde os raios X seriam esperados da acreção num buraco negro supermassivo.
• Porque é que as temperaturas observadas são consistentes com a fotosfera de uma estrela e não com o esperado disco quente de acreção.
• Porque é que os eventos de destruição de estrelas observados são mais fracos do que o esperado a partir de modelos de buracos negros que devoram material de forma eficiente.
• Porque é que os espectros dos eventos observados encontram material a expandir-se na nossa direção a uma percentagem reduzida da velocidade da luz (10-20.000 km/s).
• A equipa de investigação utilizou o código avançado de hidrodinâmica de partículas suavizadas Phantom, incorporando efeitos relativistas gerais para simular com precisão a dinâmica da estrela e dos detritos.

Este nível de detalhe é crucial para captar as interações complexas e os processos de dissipação de energia que ocorrem durante e após a rutura da estrela.

“Os resultados confirmam a existência teórica de envelopes de Eddington, que atuam como uma camada de reprocessamento para a energia emitida, explicando a emissão ótica e ultravioleta observada durante os TDEs”, diz o Professor Price.

“Este modelo também oferece uma potencial explicação para as diferenças observadas nas curvas de luz ótica e de raios-X destes eventos, sugerindo que a variação dos ângulos de visão pode ser responsável por estas discrepâncias”, conclui.