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25 de fevereiro de 2024

Simulações Computacionais Registram Os Primeiros Momentos Turbulentos da Vida de Um Buraco Negro

Astrônomos descobriram como algumas estrelas moribundas expulsam buracos negros recém-nascidos de seu ventre — e o processo não é nada agradável.

Esses raros buracos negros recebem um impulso significativo quando suas estrelas progenitoras morrem em uma explosão cataclísmica, lançando os novos devoradores gravitacionais para fora em velocidades incríveis, segundo um novo estudo.

Os achados podem esclarecer os enigmáticos primeiros momentos da vida de um buraco negro.

Buracos negros e estrelas de nêutrons nascem no coração de estrelas massivas e moribundas. Quando estrelas com pelo menos oito vezes a massa do sol se aproximam do fim de suas vidas, elas fundem ferro em seus núcleos. Pressões intensas transformam esse núcleo de ferro em uma protoestrela de nêutrons, um aglomerado de nêutrons do tamanho de uma cidade. Esse aglomerado pode interromper temporariamente o colapso gravitacional do restante da estrela. Em troca, essa interrupção geralmente desencadeia uma explosão de supernova. Mas as pressões às vezes podem aumentar no coração dessas explosões, esmagando a protoestrela de nêutrons em um buraco negro.

O que acontece a seguir é um mistério. Modelos computacionais anteriores de supernovas simularam apenas menos de um segundo desse processo — apenas o suficiente para capturar a própria explosão. E observações reais de buracos negros e estrelas de nêutrons sugerem todo tipo de física incomum. Algumas estrelas de nêutrons se movem a mais de 3,4 milhões de mph (5,4 milhões de km/h), indicando que foram violentamente expulsas durante o processo de explosão, enquanto outras se movem 30 vezes mais lentas, sugerindo um processo de nascimento mais sereno.

Por outro lado, os buracos negros quase sempre têm baixas velocidades de “expulsão”, embora as circunstâncias de sua criação sejam muito mais violentas.

Uma equipe de astrônomos elucidou o desconfortável período recém-nascido de buracos negros e estrelas de nêutrons executando 20 simulações computacionais de supernovas. As simulações duraram o suficiente para mostrar como cada objeto foi “expulso” por sua estrela progenitora. Seu trabalho foi publicado no banco de dados de pré-impressão arXiv em 20 de novembro e foi submetido ao The Astrophysical Journal para revisão por pares.

Os astrônomos descobriram uma relação estreita entre as propriedades da estrela progenitora antes da explosão (conhecida como “progenitora”) e a resultante estrela de nêutrons ou buraco negro. Quando a estrela progenitora não é muito massiva e não é muito compacta — o que significa que suas camadas externas são ampliadas em relação ao seu núcleo — a supernova acontece muito repentinamente e em quase uma esfera perfeita, levando a uma estrela de nêutrons de movimento lento.

Por outro lado, progenitoras muito massivas e compactas levam mais tempo para explodir, e quando as explosões ocorrem, não são muito simétricas. Isso produz uma estrela de nêutrons rápida e expulsa emergindo do caos. Os pesquisadores também descobriram que estrelas de nêutrons maiores tendem a ser mais expulsas, o que significa que mais massa de um progenitor compacto acaba em uma estrela de nêutrons.

Progenitoras também fazem estrelas de nêutrons girarem, e os pesquisadores descobriram que, geralmente, quanto maior o chute, maior a rotação. Então, se a estrela progenitora explodiu de forma assimétrica, a explosão irregular não apenas empurra para fora a estrela de nêutrons, mas também a faz girar. Isso pode explicar as origens dos magnetares, que são estrelas de nêutrons que giram rapidamente e supermagnetizadas.

Dois mecanismos de formação explicam como os buracos negros são expulsos. Em um caso, a progenitora não explode totalmente, mas a pressão sobre o núcleo aumenta ao ponto de formar um buraco negro. Esses buracos negros são bastante grandes — cerca de 10 massas solares, em média — e quase não são expulsos. A maioria dos buracos negros se enquadra nessa categoria.

Mas os buracos negros também podem se formar por um segundo caminho. Em alguns casos, a estrela progenitora explode totalmente e leva consigo muita massa, deixando para trás um buraco negro menor, de cerca de três massas solares. Curiosamente, esses buracos negros recebem incríveis velocidades de expulsão, maiores que 2,2 milhões de mph (3,6 milhões de km/h), segundo o estudo. Esses buracos negros em movimento rápido são bastante raros, porém.

A pesquisa faz uma conexão importante entre o que podemos observar (estrelas de nêutrons e buracos negros se movendo pelo universo) e o que não podemos (ou seja, os detalhes do próprio processo de explosão do progenitor). Ao estudar as propriedades de estrelas de nêutrons e buracos negros, os astrônomos poderão trabalhar para pintar um quadro completo do ciclo de vida estelar.

Fonte:

https://www.livescience.com/space/black-holes/turbulent-1st-moments-of-a-black-holes-life-captured-in-new-simulations

Sérgio Sacani

Formado em geofísica pelo IAG da USP, mestre em engenharia do petróleo pela UNICAMP e doutor em geociências pela UNICAMP. Sérgio está à frente do Space Today, o maior canal de notícias sobre astronomia do Brasil.

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