SN 2023zkd: a estranha supernova do Zwicky Transient Facility em que uma estrela tenta engolir um buraco negro

Em 2023, astrónomos registaram uma das explosões mais extraordinárias do espaço já observadas.

O fenómeno ocorreu a cerca de 750 milhões de anos-luz e apareceu nos detetores do Zwicky Transient Facility em 7 de julho. Num primeiro momento, parecia uma supernova perfeitamente comum - a morte explosiva de uma estrela - e, por isso, o evento recebeu o nome de SN 2023zkd.

Seis meses depois, uma busca por anomalias cósmicas apontou que aquela explosão merecia atenção: ao revisitar os dados recolhidos desde a descoberta, ficou claro que a SN 2023zkd tinha feito algo fora do esperado. Ela voltou a ficar mais brilhante.

O que tornou a SN 2023zkd tão incomum

Uma nova análise propõe uma explicação digna de um enredo “ao contrário”: esta sequência estranha pode ter sido provocada por uma estrela gigante a tentar engolir um buraco negro como se tivesse saído 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 hoje de que interações tão próximas podem, de facto, detonar uma estrela", diz o astrónomo Alexander Gagliano, do Instituto da NSF para Inteligência Artificial e Interações Fundamentais.

As supernovas podem ocorrer por diferentes mecanismos. Em geral (embora nem sempre), envolvem a morte de uma estrela massiva ou explosões termonucleares descontroladas numa anã branca. Também não são raras: surgem pelo Universo a um ritmo de algumas centenas observáveis por ano.

E os astrónomos sabem, em linhas gerais, como a história costuma desenrolar-se: um clarão que aparece de repente, seguido por um escurecimento gradual que obedece a uma curva bastante previsível ao longo das semanas e meses seguintes.

No caso da SN 2023zkd, as primeiras medições pareciam bem típicas; o brilho registado pelo Zwicky era compatível com as fases iniciais de uma supernova. Depois, em janeiro de 2024, uma ferramenta criada para localizar eventos invulgares em arquivos indicou que valia a pena reavaliar o caso.

O segundo pico de brilho e o que os arquivos revelaram

Registos de diferentes observatórios, em várias partes do mundo, voltados para aquela região do céu tinham captado a curva de luz “normal” em declínio. Até que aconteceu o inesperado: 240 dias após a deteção pelo Zwicky, o objeto voltou a intensificar o brilho, quase ao mesmo nível da supernova inicial.

Como a maioria das supernovas não se comporta assim, Gagliano e colegas recorreram a observações de arquivo daquela área do céu para investigar se havia sinais anteriores à deteção do Zwicky que pudessem dar pistas. Para isso, usaram aprendizado de máquina para identificar padrões que poderiam passar despercebidos aos humanos.

O que encontraram foi ainda mais estranho: por mais de quatro anos antes da explosão, o objeto vinha aumentando de brilho de forma constante, com algumas flutuações incomuns. Esse tipo de comportamento prolongado não é típico de estrelas prestes a explodir.

Uma estrela a tentar engolir um buraco negro

O cenário que melhor encaixou nas observações, segundo os investigadores, envolve uma estrela massiva no fim da vida e um objeto compacto - como um buraco negro - presos numa órbita muito apertada. À medida que giravam um em torno do outro e a órbita decaía, a estrela perdia uma grande quantidade de massa, e esse material começava a brilhar.

Em seguida, acreditam os autores, os dois corpos aproximaram-se ao ponto de a estrela exercer força gravitacional suficiente para tentar incorporar o buraco negro. No entanto, a atração do buraco negro, em distância extremamente curta, tensionou a estrela a tal nível que acabou por acionar a supernova.

Nesse quadro, o primeiro pico de brilho teria vindo do choque da explosão com um gás de baixa densidade ao redor do sistema. Já o segundo pico teria sido produzido por uma colisão mais lenta e sustentada com uma nuvem espessa de material expelido pela estrela nos seus últimos anos. As flutuações estranhas antes da explosão, por sua vez, seriam um indício de um sistema sob stress devido à presença de um buraco negro.

Isso não é tão impossível quanto parece. Um buraco negro tem “apenas” tanta gravidade quanto uma estrela de massa comparável; a uma distância razoável, como a que uma estrela teria, o comportamento é o mesmo. A diferença é que um buraco negro é tão compacto que se pode chegar muito mais perto dele - tão perto que, num objeto de massa semelhante, você estaria dentro de uma estrela equivalente - e a intensidade do campo gravitacional aumenta conforme a distância diminui.

O Sol, por exemplo, tem cerca de 1,4 milhão de quilómetros de diâmetro. Já o horizonte de eventos de um buraco negro com a mesma massa do Sol teria cerca de 6 quilómetros.

Assim, se a estrela do binário tivesse massa maior do que a do buraco negro, considerar-se-ia que a estrela puxou o buraco negro para dentro, antes de a gravidade extrema a curtíssima distância levar a estrela a um fim “pegajoso”. A outra possibilidade é que o buraco negro tenha devorado completamente a estrela antes que ela pudesse explodir; em ambos os cenários, aparece o mesmo tipo de colisão com o material ao redor do sistema.

De um jeito ou de outro, o resultado final é um buraco negro maior.

"Agora estamos a entrar numa era em que podemos apanhar automaticamente estes eventos raros enquanto acontecem, e não apenas depois", diz Gagliano. "Isso significa que finalmente podemos começar a ligar os pontos entre como uma estrela vive e como ela morre, e isso é incrivelmente empolgante."

A pesquisa deve ser publicada no The Astrophysical Journal, e uma pré-publicação está disponível no arXiv.