Astrônomos chineses encontram evidências espectrais de um buraco negro despedaçando a mesma estrela duas vezes

Dois clarões apontam para uma única estrela sobrevivente

Uma estrela parece ter sobrevivido a uma aproximação de um buraco negro supermassivo, apenas para retornar e perder mais material. Astrônomos da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) identificaram o evento recorrente, AT 2022dbl, depois que ele voltou a brilhar em janeiro de 2024. A pista mais forte foi a notável semelhança entre a luz emitida nos dois clarões.

Os resultados foram publicados em 9 de agosto de 2024 na The Astrophysical Journal Letters. Em seu comunicado sobre a pesquisa, a USTC descreveu AT 2022dbl como o primeiro evento repetido de ruptura parcial por forças de maré confirmado por espectroscopia, o estudo da luz separada em seus comprimentos de onda componentes.

Um evento de ruptura por forças de maré, ou TDE, ocorre quando uma estrela passa perto o suficiente de um buraco negro massivo para que a gravidade arranque parte de seu material. Esse material produz um clarão intenso ao se deslocar em direção ao buraco negro. Em uma ruptura parcial, parte da estrela sobrevive, tornando possível um novo encontro.

AT 2022dbl é importante porque os pesquisadores obtiveram mais do que o registro de um objeto que ficou brilhante duas vezes. Os dois clarões apresentaram características de emissão muito semelhantes, inclusive as associadas ao nitrogênio. Essas características sustentam a conclusão da equipe de que o material envolvido nos dois episódios provavelmente veio da mesma estrela.

A descoberta também muda a forma como os astrônomos podem interpretar rupturas estelares aparentemente comuns. Segundo a equipe, cada clarão de AT 2022dbl parecia um TDE típico quando considerado isoladamente. Acompanhar o objeto ao longo do tempo revelou uma história mais complexa: uma estrela aparentemente perdendo material em encontros sucessivos, em vez de desaparecer em um único evento.

Como um buraco negro pode arrancar material de uma estrela

Um buraco negro exerce uma atração maior sobre o lado de uma estrela próxima que está mais perto dele do que sobre o lado mais distante. Quando essa diferença se torna suficientemente intensa, ela estica a estrela e pode arrancar material estelar. Essa diferença na atração gravitacional é a força de maré que dá nome ao evento.

O termo acreção descreve o acúmulo de material ao redor de um objeto e seu deslocamento em direção a ele sob a ação da gravidade. Em um TDE, os detritos estelares esquentam e emitem radiação durante esse processo. Os astrônomos detectam o clarão resultante, que permite investigar um encontro que ocorre muito além do alcance da observação direta.

A USTC explica que um TDE típico aumenta rapidamente de brilho ao longo de dezenas de dias e depois enfraquece durante meses ou anos. Uma ruptura parcial pode seguir um padrão semelhante. Sua característica distintiva é a estrela sobrevivente, que pode permanecer em uma órbita que a leva novamente para perto do buraco negro.

No caso de AT 2022dbl, os pesquisadores interpretam o novo clarão e os espectros semelhantes como evidências desse processo recorrente. A luz contém informações sobre o material que está sendo arrancado, enquanto o retorno do brilho mostra que a atividade recomeçou.

Por que a semelhança entre os espectros é importante

Um espectro separa a luz por comprimento de onda, assim como um prisma dispersa a luz visível em diferentes cores. Átomos e íons produzem características em comprimentos de onda específicos. Os astrônomos usam essas características para investigar a composição e as condições físicas do material que emite a luz.

Os dois clarões de AT 2022dbl apresentaram características de linhas de emissão extremamente semelhantes. A USTC destacou características que indicam uma abundância excepcionalmente alta de elementos associados a reações nucleares no interior das estrelas. Entre as características semelhantes estavam as linhas de emissão de N III, produzidas por átomos de nitrogênio que perderam dois elétrons.

A equipe de pesquisa interpretou essa semelhança química como um indício fundamental de que os dois episódios envolveram material da mesma estrela. O raciocínio relaciona o momento da retomada da atividade à composição revelada pela luz: o objeto voltou a emitir um clarão, e sua emissão apresentou uma assinatura química muito semelhante.

Candidatos anteriores a casos de ruptura por forças de maré recorrente haviam sido sustentados principalmente por curvas de luz, que mostram o brilho ao longo do tempo. A USTC afirmou que esses casos não tinham evidências comparavelmente fortes além da variação de brilho e não haviam conquistado ampla aceitação. AT 2022dbl acrescentou uma comparação espectral entre os clarões, dando uma base observacional mais sólida à explicação de ruptura parcial recorrente.

Como o segundo clarão foi detectado

A equipe da USTC vinha atualizando regularmente as curvas de luz de eventos de ruptura por forças de maré já conhecidos, à procura de uma retomada da atividade. Esse acompanhamento contínuo permitiu aos pesquisadores reconhecer o aumento de brilho de AT 2022dbl em janeiro de 2024 e organizar observações enquanto o novo clarão ainda se desenvolvia.

Eles iniciaram o monitoramento com o satélite Swift e a rede de telescópios do Observatório Las Cumbres, conhecida como LCOGT. Essas observações mediram o evento em várias faixas de comprimento de onda, oferecendo à equipe um registro mais amplo da variação da radiação do que seria possível com uma única faixa.

Os pesquisadores também obtiveram um espectro inicial de alta qualidade com o telescópio Hale, conhecido como P200, no Observatório Palomar, nos Estados Unidos. Esse espectro ajudou a identificar a nova erupção como um evento de ruptura por forças de maré e possibilitou a comparação crucial com o primeiro clarão.

As principais etapas foram:

• Janeiro de 2024: A equipe detectou um novo aumento de brilho de AT 2022dbl e iniciou observações com o Swift, o LCOGT e o telescópio Hale de Palomar.
• 9 de agosto de 2024: O estudo foi publicado na The Astrophysical Journal Letters com o título The Unluckiest Star: A Spectroscopically Confirmed Repeated Partial Tidal Disruption Event AT 2022dbl.

Detectar o retorno da atividade logo no início foi importante porque um clarão muda à medida que se desenvolve. As observações rápidas permitiram aos pesquisadores obter um espectro da fase inicial do segundo episódio, além de medições que acompanharam a evolução do brilho.

Uma possível origem em um par de estrelas

Os pesquisadores propõem que a estrela sobrevivente talvez tenha pertencido originalmente a um sistema binário, ou seja, formado por duas estrelas que orbitam uma à outra. Uma aproximação do buraco negro poderia ter separado o par e deixado uma das estrelas presa à sua gravidade.

Nessa explicação, a estrela capturada segue uma órbita elíptica de excentricidade muito alta. A excentricidade descreve o quanto uma órbita é alongada: em uma órbita quase circular, o objeto se mantém a uma distância relativamente constante; em uma órbita muito alongada, ele se afasta bem mais antes de se aproximar novamente.

Cada passagem próxima poderia então expor a estrela a fortes forças de maré, arrancando mais material e produzindo outro clarão. Isso oferece uma explicação física para como uma estrela poderia sobreviver a um encontro e depois retornar para perder material novamente.

A origem binária e a órbita proposta são interpretações da equipe com base nas observações. O comunicado não indica uma data confirmada para outro clarão. O monitoramento contínuo permitiria aos astrônomos procurar novas manifestações de atividade e comparar qualquer episódio futuro com os dois primeiros.

O que muda nos estudos de ruptura estelar

AT 2022dbl apresenta um desafio prático para os astrônomos que classificam esses eventos: um clarão de ruptura estelar parcial pode parecer um TDE comum. Os pesquisadores afirmaram que o comportamento de cada episódio era indistinguível do observado em eventos típicos.

Assim, estudos que observam apenas um clarão podem incluir estrelas sobreviventes entre os objetos interpretados como tendo passado por uma única ruptura. A USTC afirmou que os estudos de TDEs ópticos em grande parte deixaram de lado as rupturas parciais recorrentes, enquanto essa descoberta sugere que esses eventos podem ser mais comuns do que se supunha.

Essa diferença importa quando os pesquisadores contabilizam eventos e estudam como as estrelas perdem material perto de buracos negros. Uma população que inclui estrelas que retornam repetidamente tem uma história diferente da de uma população em que cada clarão representa o encontro final de uma estrela distinta. AT 2022dbl oferece aos pesquisadores um caso concreto para analisar ao reavaliar essas contagens e os modelos físicos.

A estratégia de observação também é relevante. Verificações regulares de objetos conhecidos podem revelar uma atividade que uma observação de descoberta, por si só, não detectaria. Neste caso, a combinação de medições contínuas do brilho, resposta rápida e espectroscopia produziu as evidências centrais.

A equipe e a busca por mais exemplos

O primeiro autor do artigo é Zheyu Lin, doutorando da USTC, orientado conjuntamente pelo professor Xu Kong e pelo pesquisador associado Ning Jiang. Jiang, o professor Tinggui Wang e Kong são os autores correspondentes. Entre as instituições colaboradoras estão os Observatórios Astronômicos Nacionais da Academia Chinesa de Ciências, a Universidade de Wuhan, a Universidade de Hiroshima, a Universidade de Kyoto e o Instituto Indiano de Astrofísica.

O projeto recebeu apoio de organizações como a Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, o Ministério da Ciência e Tecnologia, a Academia Chinesa de Ciências, o programa espacial tripulado da China, a Fundação Tang e autoridades da província de Anhui.

Os pesquisadores esperam usar o Telescópio de Pesquisa de Grande Campo, ou WFST, também conhecido como Telescópio de Pesquisa Mozi, para encontrar mais eventos como AT 2022dbl. A USTC e o Observatório da Montanha Púrpura desenvolveram o telescópio em conjunto, e os eventos de ruptura por forças de maré estão entre seus principais alvos científicos.

A descoberta de outros exemplos daria aos astrônomos mais estrelas e clarões para comparar. AT 2022dbl mostra o valor de combinar a busca por novos eventos com o acompanhamento contínuo dos já conhecidos: um objeto que perdeu brilho ainda pode ter outro episódio observável pela frente.

Principais pontos

• Pesquisadores da USTC detectaram um novo aumento de brilho de AT 2022dbl em janeiro de 2024.
• Espectros semelhantes dos dois clarões sustentam a conclusão de que um buraco negro arrancou material da mesma estrela duas vezes.
• A equipe descreve o caso como o primeiro evento repetido de ruptura parcial por forças de maré confirmado por espectroscopia.
• O Swift, o LCOGT e o telescópio Hale de Palomar forneceram observações do segundo clarão.
• O estudo foi publicado em 9 de agosto de 2024 na The Astrophysical Journal Letters.
• Os pesquisadores propõem que uma estrela capturada segue uma órbita alongada e planejam buscar mais exemplos com o WFST.