SN 2023zkd: supernova poderá ter sido detonada por um buraco negro

Em 2023, astrónomos observaram uma das explosões cósmicas mais fora do comum de que há registo recente.

O fenómeno ocorreu a cerca de 750 milhões de anos-luz e apareceu nos detectores da Instalação de Transientes Zwicky (ZTF) a 7 de julho. Na altura, parecia uma supernova perfeitamente normal - a morte explosiva de uma estrela - e recebeu a designação SN 2023zkd.

SN 2023zkd: uma supernova com um segundo pico de brilho

Seis meses depois, uma pesquisa sistemática de anomalias no céu sinalizou o episódio como ligeiramente estranho. Ao revisitarem os dados reunidos desde a descoberta, os investigadores perceberam o que tornava a SN 2023zkd tão peculiar: o objecto voltou a intensificar o brilho.

Uma análise recente apresenta uma explicação tão inesperada quanto intrigante: esta sequência invulgar poderá ter acontecido porque uma estrela gigante tentou engolir um buraco negro - como se saísse de um atlas da Rand McNally.

"A nossa análise mostra que a explosão foi desencadeada por um encontro catastrófico com um companheiro buraco negro, e é a evidência mais forte até à data de que interacções tão próximas podem, de facto, detonar uma estrela", afirma o astrónomo Alexander Gagliano, do Instituto da NSF para Inteligência Artificial e Interacções Fundamentais.

Porque é que isto não se comporta como uma supernova típica

As supernovas podem ocorrer por vias bastante diferentes. Na maioria dos casos (embora nem sempre) envolvem o fim de uma estrela muito massiva ou explosões termonucleares descontroladas numa anã branca. Além disso, não são raras: surgem pelo Universo a um ritmo de algumas centenas de eventos observáveis por ano.

Os astrónomos têm uma boa ideia de como estes fenómenos costumam evoluir: um clarão que irrompe de repente, seguido por um enfraquecimento gradual que obedece a uma curva relativamente previsível ao longo das semanas e dos meses seguintes.

No início, as observações da SN 2023zkd pareciam encaixar nesse padrão; o clarão registado pela ZTF era compatível com as fases iniciais de uma supernova. Porém, em janeiro de 2024, uma ferramenta concebida para identificar acontecimentos invulgares em arquivos indicou que valia a pena reavaliar o caso.

Medições de vários observatórios, espalhados pelo mundo, apontados para a mesma região do céu tinham registado a curva de luz habitual, em declínio. Até que aconteceu o inesperado: 240 dias após a ZTF ter detectado o evento, o brilho subiu novamente, quase até ao nível do pico inicial da supernova.

Como este comportamento não é característico da maioria das supernovas, Gagliano e a sua equipa recorreram a observações de arquivo dessa parcela do céu para procurar sinais anteriores à detecção da ZTF que pudessem dar pistas. Para isso, aplicaram aprendizagem automática, de modo a captar padrões que poderiam passar despercebidos à análise humana.

Quatro anos de sinais antes da explosão

O que encontraram foi ainda mais estranho: durante mais de quatro anos antes da explosão, o objecto foi aumentando de brilho de forma contínua, com algumas flutuações anómalas. Um comportamento tão prolongado não é típico de estrelas prestes a explodir.

De acordo com os investigadores, o cenário que melhor reproduz as observações envolve uma estrela massiva em fase terminal e um objecto compacto - como um buraco negro - presos numa órbita apertada. Enquanto giravam um em torno do outro numa órbita em decaimento, a estrela foi perdendo uma grande quantidade de massa, e esse material começou a emitir luz.

A certa altura, acreditam os autores, os dois corpos aproximaram-se ao ponto de a estrela exercer atracção gravitacional suficiente para tentar incorporar o buraco negro. No entanto, a gravidade do buraco negro, numa proximidade extrema, terá sujeitado a estrela a tensões tão intensas que acabou por disparar a supernova.

Neste quadro, o primeiro pico de luminosidade resultou do impacto da explosão da supernova com gás de baixa densidade em redor do sistema. O segundo pico teria sido provocado por uma colisão mais lenta e prolongada com uma nuvem densa de material expelido pela estrela nos seus últimos anos. Já as flutuações estranhas observadas antes da explosão seriam consistentes com um sistema sob stress devido à presença de um buraco negro.

Porque é que um buraco negro pode aproximar-se tanto

Isto pode soar impossível, mas não é. Um buraco negro tem tanta gravidade quanto uma estrela de massa semelhante; a uma distância razoável - como seria normal numa estrela - o comportamento gravitacional é o mesmo. A diferença é que um buraco negro é extremamente compacto, permitindo aproximar-se muito mais: tanto que, no caso de um objecto com massa comparável, seria possível estar no interior do volume que uma estrela ocuparia, com a intensidade do campo gravitacional a aumentar à medida que a distância diminui.

O Sol, por exemplo, tem cerca de 1,4 milhões de quilómetros (cerca de 865 000 milhas) de diâmetro. O horizonte de eventos de um buraco negro com a mesma massa do Sol mede cerca de 6 quilómetros.

Assim, se a estrela do sistema binário tivesse mais massa do que o buraco negro, poderia dizer-se que a estrela puxou o buraco negro para dentro - antes de a gravidade extrema, a curtíssima distância, conduzir a estrela a um fim inevitável. A alternativa é que o buraco negro tenha devorado completamente a estrela antes de esta conseguir explodir; em ambos os cenários, verifica-se a mesma colisão do fenómeno com o material que rodeia o sistema.

Seja qual for o caminho, o desfecho é o mesmo: fica um buraco negro maior.

"Estamos agora a entrar numa era em que conseguimos detectar automaticamente estes eventos raros no momento em que acontecem, e não apenas depois", diz Gagliano. "Isso significa que, finalmente, podemos começar a ligar os pontos entre a forma como uma estrela vive e a forma como morre - e isso é incrivelmente entusiasmante."

O estudo deverá ser publicado no Jornal Astrofísico, e uma versão preliminar está disponível no arXiv.