Um evento de disrupção por marés em 2024 expõe como um buraco negro arrasta o espaço-tempo

Um episódio de destruição estelar extremamente violento, registado em 2024, deu aos astrónomos a evidência mais completa até hoje de um buraco negro a torcer o próprio espaço-tempo à sua volta.

O fenómeno chama-se arrastamento de referenciais - também conhecido como efeito de Lense-Thirring - e foi observado no núcleo da galáxia LEDA 145386, a cerca de 400 milhões de anos-luz da Terra. Ao acompanhar este sinal, os investigadores tiveram uma rara oportunidade de ver a relatividade geral “em ação” praticamente em tempo real.

“É um verdadeiro presente para os físicos, porque estamos a confirmar previsões feitas há mais de um século”, afirma o astrofísico Cosimo Inserra, da Universidade de Cardiff, no Reino Unido. “Além disso, estas observações ajudam-nos a compreender melhor a natureza dos eventos de disrupção por marés - quando uma estrela é despedaçada pelas forças gravitacionais extremas exercidas por um buraco negro.”

Arrastamento de referenciais (efeito de Lense-Thirring) e a relatividade geral

O arrastamento de referenciais é uma consequência prevista pela relatividade geral e pode ser imaginado de forma simples. Pense numa colher mergulhada em mel: se rodarmos a colher, o mel é “arrastado” e começa a rodar também, com o efeito mais intenso junto da colher e cada vez mais fraco à medida que nos afastamos.

Em termos cósmicos, qualquer objeto com massa deforma gravitacionalmente o espaço-tempo. Se essa massa estiver em rotação, essa deformação ganha uma componente de “torção”, como se o próprio tecido do espaço-tempo fosse enrolado pelo movimento. Este efeito já foi medido noutras situações, incluindo a sua influência subtil em satélites que orbitam a Terra.

Perto do nosso planeta, porém, o sinal é pequeno. O arrastamento de referenciais torna-se muito mais evidente em torno de objetos com milhões de vezes a massa do Sol, como os buracos negros supermassivos, transformando esses ambientes em laboratórios naturais para estudar o fenómeno em detalhe.

Porque é tão difícil observar um buraco negro supermassivo

Há um problema óbvio: os buracos negros supermassivos estão, regra geral, longe demais para que se consiga seguir as suas atividades mais discretas com grande pormenor. Na prática, muitas vezes é preciso esperar por um acontecimento extremo - como a destruição de uma estrela - para “iluminar” o sistema e permitir medições de comportamentos que, de outra forma, passariam despercebidos.

Foi precisamente isso que aconteceu com o buraco negro no centro de LEDA 145386, cuja massa é de cerca de 5 milhões de massas solares.

O clarão de janeiro de 2024: um evento de disrupção por marés

Em janeiro de 2024, a Instalação Zwicky de Fenómenos Transitórios (ZTF) detetou um aumento abrupto de brilho vindo daquela região do céu. A assinatura era compatível com um evento de disrupção por marés: o “grito” luminoso produzido quando uma estrela passa demasiado perto de um buraco negro e é rasgada pelas forças de maré da sua gravidade. São fenómenos conhecidos, mas raros - e cientificamente valiosos - pelo que as equipas continuaram a monitorizar a fonte.

“Quando uma estrela se aproxima muito de um buraco negro supermassivo, a gravidade intensa estica-a, e acabará por a desfazer, fazendo com que parte do seu material comece a cair em direção ao buraco negro”, explica o astrónomo Santiago del Palacio, da Universidade de Chalmers, na Suécia.

“Estes episódios podem tornar-se extremamente brilhantes; assim que um novo evento foi identificado por um telescópio óptico, isso levou-nos a iniciar observações do buraco negro em vários comprimentos de onda o mais rapidamente possível.”

Disco de acreção, jato e um “balanço” sincronizado

Num evento de disrupção por marés, a estrela não desaparece imediatamente para lá do horizonte de acontecimentos. Em vez disso, o seu interior despedaçado espalha-se e organiza-se num disco de acreção que orbita o buraco negro, perdendo energia gradualmente e espiralando em direção ao horizonte.

Nem todo o material, contudo, é engolido. Os astrónomos consideram que uma fração pode ser acelerada ao longo das linhas do campo magnético rumo aos polos do buraco negro e depois expulsa com enorme violência, originando jatos colossais de matéria a velocidades próximas da da luz.

Neste cenário, o disco de acreção é uma fonte intensa de raios X, enquanto a radiação de rádio pode ser gerada pela aceleração síncrotron no jato.

Com o passar do tempo, surgiu um padrão inesperado: a cada 19,6 dias, os raios X variavam de brilho em mais de uma ordem de grandeza. Em paralelo, a emissão de rádio também oscilava - neste caso, em mais de quatro ordens de grandeza. O dado decisivo foi que as variações nos raios X e no rádio estavam sincronizadas.

Essa sincronização sugere que a estrutura completa - disco e jato - não está fixa, mas sim a “oscilar” como um pião. Esse tipo de precessão é precisamente o comportamento esperado quando o arrastamento de referenciais faz com que o espaço-tempo em rotação em torno do buraco negro imponha uma torção ao material que o circunda.

“Uma variabilidade síncrona, quase periódica, de elevada amplitude e observada em múltiplas bandas aponta fortemente para um acoplamento rígido entre o disco de acreção e o jato, que precessa como um giroscópio em torno do eixo de rotação do buraco negro”, afirma a coautora principal Yanan Wang, da Academia Chinesa de Ciências.

Modelos que simulam um disco e um jato a oscilar em conjunto reproduziram resultados semelhantes aos observados, reforçando a ideia de que sistemas como o buraco negro turbulento de LEDA 145386 servem não só para estudar processos de acreção e formação de jatos, mas também para testar diretamente a relatividade geral.

O que estas medições acrescentam: campo gravitomagnético e rotação do buraco negro

Ao detetar-se um buraco negro a arrastar o espaço-tempo e a produzir o efeito de arrastamento de referenciais, começa também a ficar mais clara a mecânica por detrás do processo, sublinha Inserra.

“De forma análoga ao que acontece quando um objeto carregado cria um campo magnético ao rodar, estamos a observar como um objeto massivo em rotação - neste caso, um buraco negro - gera um campo gravitomagnético que influencia o movimento de estrelas e de outros objetos cósmicos nas proximidades”, explica.

Além de confirmar a física fundamental, este tipo de sinal quase periódico é particularmente útil porque liga observações diretas a propriedades difíceis de medir, como a rotação do buraco negro e a geometria do sistema. À medida que mais eventos de disrupção por marés forem seguidos em várias bandas (óptico, raios X e rádio), será possível comparar casos e perceber em que condições o disco de acreção e o jato ficam rigidamente acoplados e quando, pelo contrário, evoluem de forma mais independente.

Perspetivas: mais eventos, melhores testes à relatividade

A deteção em LEDA 145386 mostra a força de campanhas rápidas e coordenadas em múltiplos comprimentos de onda. Com levantamentos do céu cada vez mais frequentes e com maior sensibilidade, a expectativa é que estes clarões se tornem mais comuns, permitindo construir amostras maiores de eventos de disrupção por marés e, com isso, melhorar os testes ao efeito de Lense-Thirring em diferentes massas e ritmos de rotação.

A investigação foi publicada na revista Avanços Científicos.