Encuentran el agujero negro más cercano a la Tierra utilizando un nuevo método

11. Noviembre 2022

Utilizando datos de la misión astrométrica Gaia de la ESA, un grupo de astrónomos dirigido por Kareem El-Badry del Instituto Max Planck de Astronomía y del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica utilizó un método novedoso para descubrir el agujero negro conocido más cercano a menos de 1600 años luz de distancia de la Tierra, y determinaron su masa. El agujero negro está orbitando una estrella similar a nuestro Sol, y fue identificado mediante el seguimiento esta estrella. Se espera que sea el primero de muchos agujeros negros descubiertos utilizando el mismo método. Al mismo tiempo, las propiedades del sistema estelar binario son inesperadas, lo que indica una seria brecha en la comprensión de los astrónomos de cómo se forman tales sistemas en primer lugar. 



Acercándose hacia el agujero negro Gaia BH1. Antecedentes: región de la galaxia de la Vía Láctea; Panel 1: una imagen de la estrella orbitando el agujero negro; Panel 2: órbita reconstruida de la estrella; Panel 3: efectos relativistas de flexión de la luz que serían visibles si pudiéramos ver de cerca la estrella y el agujero negro.


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Acercándose hacia el agujero negro Gaia BH1. Antecedentes: región de la galaxia de la Vía Láctea; Panel 1: una imagen de la estrella orbitando el agujero negro; Panel 2: órbita reconstruida de la estrella; Panel 3: efectos relativistas de flexión de la luz que serían visibles si pudiéramos ver de cerca la estrella y el agujero negro.


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Encontrar agujeros negros estelares

Se estima que hay cien millones de agujeros negros estelares en nuestra galaxia, la Vía Láctea, pero hasta ahora solo se ha detectado una pequeña fracción. Algunos han sido detectados por detectores de ondas gravitacionales, que han medido casi un centenar de fusiones de agujeros negros estelares, produciendo datos adicionales sobre las masas de los agujeros negros.

De esas pocas docenas de agujeros negros estelares que se han detectado utilizando observaciones de telescopios, la mayoría orbita una estrella compañera lo suficientemente cerca como para que la gravedad del agujero negro extraiga gas hidrógeno de la estrella compañera a un llamado disco de acreción que rodea el agujero negro. El gas se calienta lo suficiente en el proceso como para emitir cantidades considerables de rayos X. Hay 20 "binarios de rayos X" conocidos de este tipo, con 50 objetos candidatos adicionales.

Las dificultades de detectar agujeros negros estelares inactivos

Ha habido varios intentos de encontrar también agujeros negros "quiescentes" en sistemas binarios: agujeros negros sin un disco emisor de rayos X. La herramienta de elección: espectros estelares, la descomposición similar al arco iris de la luz de la estrella, que contiene información sobre el movimiento de una estrella. Lo sabemos, por la vida cotidiana, por el "efecto Doppler" para el sonido: una ambulancia con una sirena a todo volumen sonará más aguda cuando venga hacia nosotros, y más grave una vez que nos haya pasado. Del mismo modo, la luz en los espectros estelares nos habla del movimiento de una estrella directamente hacia nosotros o lejos de nosotros.

En los últimos años, ha habido varias afirmaciones de descubrimientos de agujeros negros inactivos que intentaron deducir la órbita de un binario y la masa de un compañero invisible exclusivamente a partir de espectros estelares. Sin embargo, todos menos uno de ellos (el descubrimiento en junio de 2022 del sistema binario VFTS 243, con El-Badry como coautor) han sido cuestionados o refutados por estudios de seguimiento. El problema clave: los espectros dan sólo una parte de la información sobre el movimiento estelar, y por lo tanto sobre la órbita y sobre la masa del compañero. La información que falta es una fuente fundamental de incertidumbre, ¡y también es donde la misión Gaia de la ESA promete ayuda!

Gaia proporciona los datos adicionales

Desde hace algunos años, ha habido esperanza de que la misión astrométrica Gaia de la ESA abra una nueva forma de detectar y caracterizar agujeros negros en sistemas estelares binarios al proporcionar información complementaria a lo que ofrecen los espectros estelares. Gaia está diseñado para mediciones ultraprecisas de la posición estelar. Esto incluye la capacidad de detectar el movimiento de una estrella visible en el cielo, y a partir de ahí deducir la presencia de un compañero invisible.

Este tipo de binario que contiene un agujero negro seguiría siendo muy raro, en comparación con el número total de binarios. Es por eso que, en este caso, el alcance de Gaia es tan importante como la precisión de la encuesta: los datos de alta calidad para más de cien mil sistemas binarios tienen una buena oportunidad de encontrar la aguja en el pajar, el binario del agujero negro entre los muchos binarios ordinarios.

Búsqueda de datos de Gaia para candidatos binarios de agujeros negros

Cuando se publicó el lanzamiento de datos 3 de Gaia (Gaia DR3), el primero en contener los datos orbitales para sistemas binarios detectados con Gaia, a mediados de junio de 2022, Kareem El-Badry, junto con el director de MPIA, Hans-Walter Rix, y sus colegas se dedicaron directamente a filtrar los datos en busca de posibles candidatos. Generalmente, a medida que dos objetos en un sistema binario orbitan entre sí, cada uno traza una pequeña elipse en el cielo. Gaia DR3 contiene datos de 168.065 elipses diminutas, o partes de ellas.

Aplicando criterios de selección que eran particularmente propensos a seleccionar sistemas en los que una estrella luminosa es arrastrada por un compañero invisible con masa considerable, los investigadores redujeron su conjunto a seis posibles candidatos. Los seis candidatos merecían una mirada más cercana: con la ayuda de la información complementaria de las mediciones de velocidad radial derivadas del espectro de la estrella, dando información sobre el movimiento directamente hacia nosotros o lejos de nosotros.

Estrechar el campo

El hecho de que las velocidades radiales y las posiciones de Gaia sean dos caras de la misma moneda, por así decirlo, permite comprobaciones de consistencia cruciales. Utilizando los datos espectrales existentes disponibles en los archivos astronómicos, los astrónomos pudieron descartar tres de los candidatos de inmediato. En esos casos, los datos de velocidad radial disponibles contradecían rotundamente la reconstrucción de Gaia de la órbita binaria.

Otro candidato podría ser descartado por el mal ajuste de los datos de Gaia a la órbita reconstruida, con un período orbital tan largo que Gaia no debería haber sido capaz de medirlo en primer lugar. Un quinto candidato todavía está bajo consideración, a la espera de mediciones espectrales adicionales.

Gaia BH1: el agujero negro conocido más cercano

El candidato restante, Gaia DR3 4373465352415301632, que los investigadores han denominado "GaiaBH1", encajaba muy bien: todos los datos disponibles eran consistentes. Para mayor certeza, los astrónomos también realizaron observaciones específicas adicionales de Gaia BH1: con el telescopio Magellan Clay de 6,5 m, el telescopio Gemini-North de 8,1 m, el telescopio Keck I de 10 m y, para la mayor parte de los nuevos puntos de datos, el telescopio ESO/MPG de 2,2 m que MPIA opera en el observatorio La Silla de ESO.

La reconstrucción orbital se mantuvo. Gaia BH1 era un sistema con un objeto invisible con una masa de aproximadamente 10 masas solares orbitando una estrella muy similar a nuestro propio Sol una vez cada 185,6 días. La distancia entre la estrella y la compañera es aproximadamente la misma que la distancia promedio Tierra-Sol. Si el objeto de 10 masas solares fuera otra estrella, necesariamente sería mucho más brillante que su compañera. En cambio, ni Gaia ni las observaciones de seguimiento muestran ningún rastro de una segunda estrella.

Un excelente candidato a agujero negro

Esto hace que Gaia BH1 sea un excelente candidato para un agujero negro, y a una distancia de alrededor de 1560 años luz, con mucho, el agujero negro más cercano a la Tierra que los astrónomos han encontrado hasta ahora, ¡a menos de la mitad de la distancia del anterior poseedor del récord!

Los datos de Gaia fueron cruciales para el nuevo descubrimiento. El-Badry va tan lejos como para decir: "Cientos de investigadores trabajaron para producir los productos de datos que utilizamos para encontrar el agujero negro Gaia BH1. Este descubrimiento no solo nos pertenece a nosotros, sino a la colaboración de Gaia".

Estadísticamente hablando, la cercanía implica que debería haber numerosos sistemas similares en toda la galaxia. Sin embargo, poner un número a los "numerosos" es difícil. Pero El-Badry y sus colegas tienen una estimación bastante buena de que el próximo gran lanzamiento de datos de Gaia, DR4, que actualmente se espera que no sea antes de finales de 2025, debería permitir el descubrimiento de docenas de sistemas similares.

El final de una larga búsqueda

Mirando hacia atrás en el descubrimiento, Kareem El-Badry dice: "He estado buscando un sistema como Gaia BH1 durante los últimos cuatro años, probando todo tipo de métodos, pero ninguno de ellos funcionó. Ha sido eufórico ver que esta búsqueda finalmente da frutos".

El-Badry agrega: "Parte de la razón por la que este proyecto es emocionante es que realmente no sabíamos nuestras posibilidades de encontrar algo en absoluto: las predicciones teóricas diferían en muchos órdenes de magnitud. Tener un objeto para analizar es una actualización importante desde cero, y ahora tenemos que trabajar para aprender todo lo que podamos de él, mientras nos preparamos para una muestra más grande en futuras versiones de datos de Gaia".

... Pero, ¿cómo se formó?

Gaia BH1 es un hallazgo espectacular, pero también desconcertante. Es difícil explicar cómo un sistema como este podría haberse formado en primer lugar. Específicamente, se esperaría que la estrella progenitora que más tarde se convirtió en un agujero negro tuviera una masa de al menos 20 masas solares, lo que significa que su vida útil habría sido muy corta, del orden de unos pocos millones de años. Si ambas estrellas se formaran al mismo tiempo, esta estrella masiva se habría convertido en una supergigante, hinchándose y engulliendo el espacio mucho más allá de la órbita común de las estrellas, antes de que la otra estrella hubiera tenido tiempo de convertirse en una estrella adecuada que quema hidrógeno ("secuencia principal").

No está del todo claro cómo la estrella de masa solar pudo haber sobrevivido a ese episodio, terminando tan aparentemente normal como indican las observaciones del binario del agujero negro. Los modelos teóricos que permiten la supervivencia predicen que la estrella de masa solar debería haber terminado en una órbita mucho más estrecha de lo que realmente se observa.

¿Dinámica de cúmulos estelares o un sistema triple?

Esto deja escenarios de formación más inusuales. Por ejemplo, las dos estrellas originales podrían haberse formado como parte de un cúmulo estelar. Inicialmente, habrían estado considerablemente más separados, por lo que la fase supergigante de la estrella masiva no habría perturbado la evolución de la estrella de masa solar. Los encuentros cercanos del sistema con estrellas adicionales en el cúmulo podrían haber cambiado más tarde la órbita a su tamaño actual mucho más pequeño.

Alternativamente, el sistema podría tener de hecho no dos, sino tres componentes: dos estrellas masivas en lugar de una, en órbita cercana entre sí, y la estrella de una masa solar orbitando el par masivo a una distancia mayor. Las dos estrellas masivas evitarían que la otra se convirtiera en supergigantes. En ese caso, el objeto de 10 masas solares podría no ser un solo agujero negro, sino un par de agujeros negros en órbita cercana uno alrededor del otro. Dado que ese par orbital ejercería fuerzas gravitacionales ligeramente diferentes sobre la estrella de una masa solar, las observaciones futuras precisas podrían confirmar o descartar esa posibilidad.

Con todo, Gaia BH1 es al menos tres cosas en una: es un descubrimiento emocionante del agujero negro conocido más cercano, menos de la mitad de distancia que cualquier agujero negro detectado anteriormente. Es una promesa de futuros descubrimientos similares en los próximos años, pero también un recordatorio aleccionador de los límites del conocimiento astronómico actual sobre la formación de sistemas estelares binarios o, más generalmente, múltiples.

Información general

La investigación descrita aquí es aceptada para su publicación como Kareem El-Badry et al., "Una estrella similar al Sol orbitando un agujero negro", en losAvisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

Los investigadores de MPIA involucrados son Kareem El-Badry (también Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics y Harvard Society of Fellows), Hans-Walter Rix, Rhys Seeburger, Silvia Almada Monter y Jennifer Wojno.

 
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