ASTRONOMÍA. El agujero negro estelar más masivo de la Vía Láctea está a sólo 2.000 años luz de distancia

El agujero negro estelar más masivo de la Vía Láctea está a sólo 2.000 años luz de distancia

 

Esta imagen muestra las ubicaciones de los tres primeros agujeros negros descubiertos por la misión Gaia de la ESA en la Vía Láctea. Gaia Black Hole 1 (BH1) se encuentra a sólo 1560 años luz de nosotros en dirección a la constelación de Ofiuco; Gaia BH2 está a 3.800 años luz de distancia en la constelación de Centauro; Gaia BH3 se encuentra en la constelación de Aquila, a una distancia de 1926 años luz de la Tierra. En términos galácticos, estos agujeros negros residen en nuestro patio trasero cósmico. Imagen: ESA/Gaia/DPAC. Licencia CC BY-SA 3.0 IGO

19 abril 2024.- Los astrónomos han encontrado el agujero negro de masa estelar más grande hasta el momento en la Vía Láctea. Con 33 masas solares, eclipsa al anterior poseedor del récord, Cygnus X-1, que tiene sólo 21 masas solares. La mayoría de los agujeros negros de masa estelar tienen alrededor de 10 masas solares, lo que convierte al nuevo, Gaia BH3, en un verdadero gigante.

Los agujeros negros supermasivos (SMBH), como la estrella Sagitario A en el corazón de la Vía Láctea, captan la mayor parte de nuestra atención sobre los agujeros negros. Esos gigantes pueden tener miles de millones de masas solares y tener una enorme influencia en sus galaxias anfitrionas.

Pero los agujeros de masa estelar son diferentes. A diferencia de los SMBH, que se vuelven masivos mediante fusiones con otros agujeros negros, los agujeros negros estelares son el resultado de estrellas masivas que explotan como supernovas. Los SMBH siempre se encuentran en el centro de una galaxia masiva, pero los agujeros negros estelares pueden estar ocultos en cualquier lugar.

Los astrónomos encontraron BH3 en datos de la nave espacial Gaia de la ESA. Es el tercer agujero negro estelar de Gaia. BH3 tiene un compañero estelar, y las 33 masas solares combinadas del agujero negro tiraron de su viejo compañero pobre en metales. El revelador bamboleo de la estrella delató la presencia de BH3. A sólo 2.000 años luz de distancia, BH3 está terriblemente cerca en términos cósmicos.

Los astrónomos han encontrado el agujero negro estelar más masivo de nuestra galaxia, gracias al movimiento oscilante que induce en una estrella compañera. Esta impresión artística muestra las órbitas de la estrella y el agujero negro, denominado Gaia BH3, alrededor de su centro de masa común. La misión Gaia de la Agencia Espacial Europea midió esta oscilación durante varios años. Crédito de imagen: ESO/L. Calzada
Los astrónomos han encontrado el agujero negro estelar más masivo de nuestra galaxia, gracias al movimiento oscilante que induce en una estrella compañera. Esta impresión artística muestra las órbitas de la estrella y el agujero negro, denominado Gaia BH3, alrededor de su centro de masa común. La misión Gaia de la Agencia Espacial Europea midió esta oscilación durante varios años. Imagen: ESO/L. Calzada

Una nueva carta de investigación en Astronomía y Astrofísica presentó el descubrimiento. Su título es “ Descubrimiento de un agujero negro inactivo de 33 masas solares en la astrometría previa al lanzamiento de Gaia. El autor principal es Pasquale Panuzzo, astrónomo del Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNRS) del Observatorio de París.

Este agujero negro destaca por su considerable masa. Los investigadores han encontrado agujeros negros estelares con masas similares, pero siempre en otras galaxias. El tamaño es confuso, pero los astrofísicos han descubierto cómo pueden llegar a ser tan masivos.

Podrían ser el resultado del colapso de estrellas pobres en metales. Estas estrellas están compuestas casi en su totalidad por hidrógeno y helio, los elementos primordiales. Los científicos creen que estas estrellas pierden menos masa durante su vida de fusión que otras estrellas. Retienen más masa, por lo que colapsan en agujeros negros más masivos. Esta idea se basa en la teoría; no hay evidencia directa.

Pero BH3 podría cambiar eso.

Las estrellas binarias tienden a formarse juntas y tienen la misma metalicidad. Las observaciones de seguimiento mostraron que la estrella compañera de BH3 es probablemente un remanente de un cúmulo globular que la Vía Láctea absorbió hace más de ocho mil millones de años. 

Dado que las estrellas binarias tienden a tener la misma metalicidad, esta compañera pobre en metales refuerza la idea de que las estrellas de baja metalicidad pueden retener más masa y formar agujeros negros estelares más grandes. 

Esta es la primera evidencia que respalda la idea de que estrellas masivas antiguas y pobres en metales colapsan en agujeros negros masivos. También respalda la idea de que estas primeras estrellas pueden haber evolucionado de manera diferente a las estrellas modernas de masas similares.

Pero hay otra interpretación.

Impresión artística de una explosión de supernova de tipo II, que implica la destrucción de una estrella supergigante masiva. Cuando las estrellas explotan como supernovas, expulsan materia al espacio, contaminando potencialmente a las estrellas compañeras cercanas. Crédito de la imagen: ESO
Impresión artística de una explosión de supernova de tipo II, que implica la destrucción de una estrella supergigante masiva. Cuando las estrellas explotan como supernovas, expulsan materia al espacio, contaminando potencialmente a las estrellas compañeras cercanas. Imagen: ESO

Cuando las estrellas explotan como supernovas, forjan elementos más pesados ​​que son expulsados ​​al espacio. ¿No debería la compañera mostrar evidencia de contaminación por metales de la supernova de BH3?

“Lo que me llama la atención es que la composición química de la compañera es similar a la que encontramos en las viejas estrellas pobres en metales de la galaxia”, explica Elisabetta Caffau del CNRS, Observatorio de París, también miembro de la colaboración Gaia. "No hay evidencia de que esta estrella haya sido contaminada por el material arrojado por la explosión de supernova de la estrella masiva que se convirtió en BH3". 

Desde esta perspectiva, es posible que la pareja no se haya formado junta. En cambio, el agujero negro podría haber adquirido a su compañero sólo después de su nacimiento, capturándolo de otro sistema.

BH3 y los otros dos agujeros negros encontrados por Gaia están inactivos. Eso significa que no hay nada lo suficientemente cerca como para “alimentarse”. Aunque BH3 tiene un compañero, está a unas 16 AU de distancia. Si BH3 estuviera acumulando materia activamente, liberaría energía que delataría su presencia. Su letargo le permitió pasar desapercibido.

Simulación de gas incandescente alrededor de un agujero negro que gira. A medida que el gas se calienta, emite energía que lo hace visible. Si el agujero negro no tiene un compañero cercano, estará inactivo y será más difícil de encontrar. Crédito de la imagen: Chris White, Universidad de Princeton
Simulación de gas incandescente alrededor de un agujero negro que gira. A medida que el gas se calienta, emite energía que lo hace visible. Si el agujero negro no tiene un compañero cercano, estará inactivo y será más difícil de encontrar. Imagen: Chris White, Universidad de Princeton

A sólo 2.000 años luz de distancia, los astrónomos seguirán estudiando BH3.

"Finalmente, la brillante magnitud del sistema y su distancia relativamente pequeña lo convierten en un objetivo fácil para futuras observaciones y análisis detallados por parte de la comunidad astronómica", escriben los descubridores en su carta de investigación.

Este descubrimiento puede haber sido fortuito, pero no fue un accidente. Un equipo dedicado de investigadores rastrea los datos de Gaia en busca de estrellas con compañeros extraños. Esto incluye exoplanetas ligeros y pesados, otras estrellas y agujeros negros. Gaia no puede detectar planetas ni agujeros negros inactivos, pero puede detectar su efecto en sus compañeros estelares.

Los investigadores detrás del descubrimiento publicaron sus hallazgos antes de la próxima publicación oficial de datos de Gaia. Sintieron que era demasiado importante para sentarse. "Dimos el paso excepcional de publicar este artículo basado en datos preliminares antes del próximo lanzamiento de Gaia debido a la naturaleza única del descubrimiento", dijo la coautora Elisabetta Caffau, también miembro de la colaboración de Gaia y científica del CNRS del Observatorio de París. –PSL.

"Hemos estado trabajando muy duro para mejorar la forma en que procesamos conjuntos de datos específicos en comparación con la publicación de datos anterior (DR3), por lo que esperamos descubrir muchos más agujeros negros en DR4", dijo Berry Holl de la Universidad de Ginebra, en Suiza. Miembro de la colaboración Gaia.

"Este descubrimiento también debe verse como un adelanto preliminar del contenido de Gaia DR4, que sin duda revelará otros sistemas binarios que albergan un BH", concluyen los autores.

Está previsto que Gaia DR4 se lance no antes de finales de 2023. Si las publicaciones de datos anteriores son una indicación, los datos estarán llenos de nuevos descubrimientos. Si hay suficientes agujeros negros de masa estelar binaria en los datos, los astrónomos pueden estar más cerca de comprender de dónde provienen y si las estrellas masivas se comportaron de manera diferente en el Universo temprano.

Fuente: Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry. Astronomy & Astrophysics, April 8, 2024. @ESO 2024

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