Mergulho fatal de estrela revela o espaço-tempo se distorcendo ao redor de um buraco negro.

Um episódio de destruição estelar extremamente violento, registado em 2024, ofereceu aos astrónomos o conjunto de evidências mais completo até agora de que um buraco negro é capaz de torcer a própria malha do espaço-tempo à sua volta.

A assinatura desse fenómeno - observado no núcleo da galáxia LEDA 145386, a cerca de 400 milhões de anos-luz da Terra - permitiu acompanhar, na prática, previsões da relatividade geral a acontecerem “ao vivo”.

“Isto é um verdadeiro presente para a física, porque confirma 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 ruptura por maré (TDEs) - quando uma estrela é estraçalhada pelas forças gravitacionais extremas de um buraco negro.”

Arrasto de referenciais (efeito Lense-Thirring) em buracos negros supermassivos

O efeito em causa chama-se arrasto de referenciais, também conhecido como efeito Lense–Thirring. Ele decorre da ideia central da relatividade geral: a massa deforma gravitacionalmente o espaço-tempo. Quando essa massa está em rotação, a deformação não é apenas uma curvatura - há também uma espécie de “torção” associada ao movimento.

Uma forma simples de visualizar é imaginar uma colher a rodar dentro de mel. O mel acompanha parcialmente a rotação, com o arrasto mais forte junto da colher e cada vez mais fraco à medida que nos afastamos.

O arrasto de referenciais já foi medido noutras situações, inclusive em experiências e medições envolvendo satélites em órbita da própria Terra. Contudo, perto do nosso planeta o efeito é muito discreto. Já na vizinhança de objetos com milhões de vezes a massa do Sol, como os buracos negros supermassivos, o fenómeno torna-se muito mais evidente - transformando esses ambientes em laboratórios naturais valiosos para testar a relatividade geral.

O desafio: buracos negros distantes e fenómenos raros

O problema é que os buracos negros supermassivos, em geral, estão demasiado longe para que as suas dinâmicas mais subtis sejam acompanhadas com detalhe. Por isso, muitas vezes, os astrónomos dependem de acontecimentos extremos e pouco frequentes - como a destruição de uma estrela - para medir comportamentos difíceis de captar.

Foi exatamente esse o caso no centro da LEDA 145386, onde se encontra um buraco negro com cerca de 5 milhões de massas solares.

O clarão de 2024 e o início do acompanhamento em várias bandas

Em janeiro de 2024, a Instalação Zwicky de Fenómenos Transitórios (ZTF) detetou um aumento súbito de brilho que, após análise, se encaixava no padrão de um evento de ruptura por maré (TDE): a emissão intensa de radiação gerada quando uma estrela passa demasiado perto e é dilacerada pela gravidade do buraco negro. Estes episódios são conhecidos, mas raros - e, por isso, alvo de monitorização imediata.

“Quando uma estrela se aproxima do buraco negro supermassivo, a gravidade intensa alonga-a e, no fim, despedaça-a; então o material estelar começa a cair para o buraco negro”, explica o astrónomo Santiago del Palacio, da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia.

“Um evento destes torna-se extremamente brilhante; quando um novo foi encontrado por um telescópio ótico, isso levou-nos a observar o buraco negro em diferentes comprimentos de onda o mais depressa possível.”

Esse tipo de estratégia - combinar observações no ótico, em raios X e em rádio - é crucial, porque cada faixa do espectro tende a revelar uma parte distinta do “motor” do fenómeno: o gás a cair, o disco de acreção e os jatos que podem ser lançados para o espaço.

Um sinal repetitivo: oscilações sincronizadas em raios X e rádio

Com o passar do tempo, surgiu um padrão pouco comum. A cada 19,6 dias, o brilho em raios X variava em mais de uma ordem de grandeza. Ao mesmo tempo, a emissão em rádio também oscilava - e, nesse caso, com variações superiores a quatro ordens de grandeza. O detalhe decisivo: as flutuações em raios X e em rádio estavam sincronizadas.

Num TDE, a estrela não desaparece instantaneamente para lá do horizonte de eventos. Em vez disso, os seus detritos espalham-se e organizam-se num disco de acreção que orbita o buraco negro e, gradualmente, vai espiralando para o interior.

Nem todo o material estelar, porém, acaba engolido. A interpretação dos astrónomos é que uma parte pode ser acelerada ao longo das linhas de campo magnético em direção aos polos do buraco negro e, daí, ser lançada para o espaço com enorme potência, formando jatos de matéria a velocidades próximas da da luz.

Nesse quadro, o disco de acreção é uma fonte importante de raios X. Já a emissão em rádio pode surgir quando partículas no jato são aceleradas e produzem radiação por processos de sincrótron. Se ambas as emissões sobem e descem em conjunto, isso sugere que disco e jato estão a comportar-se como uma única estrutura, oscilando como um pião.

A interpretação: precessão do sistema disco–jato por arrasto de referenciais

A explicação proposta é que o conjunto disco + jato está a sofrer precessão - isto é, o eixo de rotação “varre” um cone, tal como acontece com um giroscópio - devido ao arrasto de referenciais gerado pela rotação do buraco negro.

“Uma variabilidade sincronizada, quase periódica, de grande amplitude e em múltiplas bandas sugere fortemente 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 Yanan Wang, coautor principal do estudo, da Academia Chinesa de Ciências.

Modelos que simulam um disco e um jato a “balançar” em conjunto reproduziram resultados compatíveis com os dados. Assim, sistemas como o buraco negro turbulento da LEDA 145386 tornam-se úteis não apenas para investigar como o gás cai e como os jatos se formam, mas também para colocar a relatividade geral sob teste em condições extremas.

Um ponto adicional é que, ao medir padrões de precessão e a forma como eles evoluem, abre-se caminho para estimar propriedades difíceis de obter de outra forma, como o alinhamento entre o disco e o eixo de rotação do buraco negro, e pistas indiretas sobre a sua rotação (spin). Futuras campanhas com monitorização prolongada e melhor cobertura temporal podem tornar esse tipo de “tomografia” do sistema ainda mais robusta.

O que isto ensina sobre a “mecânica” do espaço-tempo

“Ao mostrar que um buraco negro consegue arrastar o espaço-tempo e produzir este efeito de arrasto de referenciais, começamos também a compreender melhor a mecânica do processo”, diz Inserra.

“De forma semelhante ao que ocorre 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.”

A investigação foi publicada na revista científica Avanços da Ciência.