Estrelas zumbis no coração da Via Láctea desafiam o tempo

Nova pesquisa traça o destino das estrelas que vivem perto do planeta via LácteaCentralidade Buraco negro.

Apesar da sua idade antiga, algumas estrelas que orbitam o buraco negro supermassivo central da Via Láctea parecem enganosamente jovens. Mas, ao contrário dos humanos, que podem parecer rejuvenescidos após uma nova rodada de injeções de colágeno, essas estrelas parecem jovens por um motivo mais sombrio.

Eles comeram seus vizinhos.

Este é apenas um dos resultados mais surpreendentes do novo Universidade do Noroeste pesquisar. Usando um novo modelo, os astrofísicos rastrearam as viagens violentas de 1.000 estrelas simuladas que orbitam o buraco negro supermassivo central da nossa galáxia, Sagitário A* (Sgr A*).

Por estar tão repleta de estrelas, a região frequentemente sofre colisões estelares brutais. Ao simular os efeitos destas colisões intensas, o novo trabalho descobre que os sobreviventes da colisão podem perder massa para se tornarem estrelas nuas e de baixa massa ou podem fundir-se com outras estrelas para se tornarem massivas e rejuvenescidas.

“A região em torno do buraco negro central é densa com estrelas que se movem a velocidades muito elevadas,” disse Sania C. Rose da Northwestern University, que liderou a investigação. “É como correr por uma estação de metrô incrivelmente lotada na cidade de Nova York durante a hora do rush. Se você não está esbarrando em outras pessoas, você está passando por elas. Para as estrelas, essas colisões próximas ainda fazem com que elas interajam com a gravidade Queríamos explorar o que estas colisões e interações significam para as estrelas e uma descrição dos seus resultados.

Esta ilustração mostra as órbitas de estrelas muito próximas de Sagitário A*, um buraco negro supermassivo no coração da Via Láctea. Fonte: ESO / L. Calçada / Spaceengine.org

Rose apresentou esta pesquisa hoje (4 de abril) na reunião de abril da American Physical Society (APS) em Sacramento, Califórnia. “Colisões Estelares no Centro da Galáxia” fez parte da sessão “Astro-Particle Physics and the Center of the Galaxy”.

Rose é Lindheimer Postdoctoral Fellow no Centro de Exploração Interdisciplinar e Pesquisa em Astrofísica (CIERA) da Northwestern. Comecei este trabalho como Ph.D. Candidato em Universidade da CalifórniaEla foi aconselhada pelo astrofísico e ex-bolsista de pós-doutorado na Northwestern University Smadar Naoz.

Destinado a colidir

O centro da nossa Galáxia, a Via Láctea, é um lugar estranho e selvagem. A força gravitacional de Sagitário A* acelera a rotação das estrelas em torno das suas órbitas a velocidades assustadoras. O enorme número de estrelas aglomeradas no centro da galáxia chega a um milhão de estrelas. Um cenário denso e velocidades vertiginosas equivalem a um derby de demolição em alta velocidade. Na região mais interna – a 0,1 parsec do buraco negro – algumas estrelas escapam ilesas.

“A estrela mais próxima do nosso Sol está a cerca de quatro anos-luz de distância”, explicou Rose. “E na mesma distância perto do buraco negro supermassivo, há mais de um milhão de estrelas. É uma vizinhança incrivelmente lotada. Além disso, o buraco negro supermassivo tem uma gravidade muito forte. À medida que orbitam o buraco negro, as estrelas podem se mover a milhares de quilômetros por segundo.”

E nesta vizinhança estreita e agitada, as estrelas podem colidir com outras estrelas. Quanto mais próximas as estrelas chegam do buraco negro supermassivo, maior é a probabilidade de colidirem. Curiosas sobre os resultados destas colisões, Rose e os seus colaboradores desenvolveram simulações para rastrear o destino dos aglomerados estelares no centro galáctico. A simulação leva em consideração vários fatores: densidade de massa estelar, massa estelar, velocidade orbital, gravidade e distâncias de Sagitário A*.

De “cumprimentos violentos” a fusões totais

Na sua investigação, Rose identificou um factor que provavelmente determinará o destino da estrela: a sua distância do buraco negro supermassivo.

A uma distância de 0,01 parsecs do buraco negro, as estrelas – movendo-se a velocidades de milhares de quilómetros por segundo – colidem constantemente umas com as outras. Raramente é uma colisão frontal, mas mais como um “nocaute brutal”, como Rose descreve. Os impactos não são fortes o suficiente para destruir completamente as estrelas. Em vez disso, eles perdem suas camadas externas e continuam acelerando ao longo da rota de colisão.

“Eles se esbarram e seguem em frente”, disse Rose. “Eles roçam uns nos outros como se estivessem trocando golpes muito violentos. Isso faz com que as estrelas ejetem algum material e percam suas camadas externas. Dependendo da velocidade com que se movem e do quanto se sobrepõem quando colidem, podem perder uma porção significativa de suas camadas externas. Essas colisões destrutivas resultam em um grupo de estrelas estranhas e de baixa massa.

Além de 0,01 parsec, as estrelas movem-se a um ritmo mais relaxado – centenas de quilómetros por segundo em vez de milhares. Devido às velocidades lentas, estas estrelas colidem umas com as outras, mas não têm energia suficiente para escapar. Em vez disso, eles se fundem para se tornarem mais massivos. Em alguns casos, podem fundir-se várias vezes até se tornarem dez vezes maiores que o nosso Sol.

“Algumas estrelas ganham na loteria da colisão”, disse Rose. “Através de colisões e fusões, essas estrelas acumulam mais hidrogênio. Embora tenham sido formadas por pessoas mais velhas, elas se disfarçam de estrelas rejuvenescidas. São como estrelas zumbis. Elas comem seus vizinhos.”

Mas uma aparência jovem tem o custo de uma expectativa de vida mais curta.

“Eles morrem muito rapidamente”, disse Rose. “As estrelas massivas são como carros gigantes que consomem muito combustível. Começam com muito hidrogénio, mas queimam-no muito rapidamente.”

Ambiente hostil 'incomparável'

Embora Rose sinta um simples prazer em estudar a região extrema e estranha perto do centro da nossa galáxia, o seu trabalho também pode revelar informações sobre a história da Via Láctea. Como o cluster central é difícil de monitorar, as simulações de sua equipe poderiam lançar luz sobre processos ocultos.

“É um ambiente como nenhum outro”, disse Rose. “As estrelas, que estão sob a influência de um buraco negro supermassivo numa região muito povoada, são diferentes de tudo o que alguma vez veremos na nossa vizinhança solar. Mas se conseguirmos identificar estes aglomerados de estrelas, poderemos aprender algo novo sobre como o centro da galáxia é montado. Pelo menos apreciando, certamente fornece um ponto de contraste com a vizinhança em que vivemos.

A apresentação de Rose à APS incluiu pesquisas que ela publicou o Cartas de diários astrofísicos Em março de 2024 e até o Jornal Astrofísico Em setembro de 2023.

Referências:

“Modulação de colisão de perfis de densidade de aglomerados de estrelas nucleares” por Sanya C. Rose e Morgan MacLeod, 22 de fevereiro de 2024, Cartas de diários astrofísicos.
doi: 10.3847/2041-8213/ad251f

“Colisões Estelares no Centro Galáctico: Estrelas Massivas, Remanescentes de Colisão e Gigantes Vermelhos Desaparecidos” por Sanaa C. Rose, Smadar Naoz, Reem Sari e Itay Linial, 14 de setembro de 2023, Jornal Astrofísico.
doi: 10.3847/1538-4357/acee75

Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation (Grant No. AST 2206428) e NASA (Concessão nº 80NSSC20K050), bem como de uma bolsa Charles E. Young, uma bolsa de estudos de dissertação da UCLA, uma bolsa Thacher, um instituto Bhowmick e uma bolsa CIERA Lindheimer.