Un agujero negro recién descubierto podría ser el más cercano a la Tierra

¿Qué tan pequeño puede ser un agujero negro? Durante varias décadas, los astrónomos han trabajado para responder a esta pregunta contando los agujeros negros en nuestro rincón del universo.

Han encontrado muchos grandes y medianos a lo largo de los años, incluido un monstruo supermasivo en el corazón de nuestra galaxia. Pero hasta hace poco, no han visto signos de pequeños y eso presenta un misterio de larga data en la astrofísica.

Ahora, los astrónomos han descubierto un agujero negro con solo tres veces la masa del Sol, lo que lo convierte en uno de los más pequeños encontrados hasta la fecha y resulta ser el agujero negro más cercano conocido, a solo 1.500 años luz de la Tierra.      

El descubrimiento "implica que hay muchos más [agujeros negros pequeños] que podríamos encontrar si aumentamos el volumen de espacio que buscamos", dice Tharindu Jayasinghe, astrónomo de la Universidad Estatal de Ohio y autor principal de un nuevo documento que detalla el descubrimiento en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. El descubrimiento "debería crear un impulso para encontrar estos sistemas".

Jayasinghe y sus colegas han apodado al objeto el “unicornio”, en parte porque es único y en parte porque se encontró en la constelación de Monoceros, nombrada por los astrónomos antiguos por la palabra griega para unicornio. Al estudiar este unicornio y otros objetos similares, los investigadores esperan obtener una imagen más clara de lo que les sucede a las estrellas en los momentos finales de sus vidas y por qué algunas de ellas colapsan para convertirse en agujeros negros, mientras que otras dejan atrás densas cáscaras estelares llamadas estrella de neutrones.

Buscando lo invisible

Dado que ninguna luz puede escapar de un agujero negro, solo pueden detectarse por medios indirectos. La mayoría de los agujeros negros conocidos se han encontrado buscando los rayos X emitidos cuando el objeto invisible extrae material de una estrella compañera en órbita. A medida que ese material se calienta en un anillo denso alrededor del agujero negro, conocido como disco de acreción, emite radiación que se puede detectar con telescopios de rayos X.

El unicornio, sin embargo, fue encontrado por un método diferente. El equipo de Jayasinghe utilizó datos de varios observatorios para medir cambios periódicos en el brillo y en el espectro de la luz proveniente de una estrella gigante roja conocida como V723 Mon. Este tipo de observaciones se han utilizado durante varias décadas para buscar exoplanetas que pueden ser extremadamente difíciles de detectar directamente.

El equipo dedujo que un objeto compañero invisible está tirando del gigante rojo, distorsionándolo en forma de gota de lluvia. Los datos dan la masa combinada de ambos objetos y si la estrella es más pesada que la estimación del equipo es posible que el objeto invisible sea una estrella de neutrones. Pero el equipo cree que el compañero probablemente sea un pequeño agujero negro.

Aunque el unicornio está cambiando la forma del gigante rojo, no le está quitando material. Eso significa que no hay disco de acreción y, por lo tanto, no hay radiografías, por lo que pasó desapercibido hasta ahora. Esta falta de emisiones de rayos X en esos agujeros negros "silenciosos" puede explicar por qué se han encontrado tan pocos pequeños hasta ahora.

Los agujeros negros con más de cinco veces la masa de nuestro sol parecen ser abundantes, pero por debajo de esa cifra, parece que escasean. Los astrónomos se refieren a la desconcertante falta de pequeños agujeros negros como la "brecha de masa".

Llenar el espacio de la masa

Antes del descubrimiento del unicornio, se habían presentado varios otros candidatos para los agujeros negros dentro de la brecha de masa. En el año 2019, el mismo equipo anunció que había encontrado un objeto oscuro orbitando una estrella gigante; sin embargo, sus estimaciones de la masa del objeto eran menos precisas y solo pudieron concluir que era un agujero negro "o una estrella de neutrones inesperadamente masiva".

El año pasado, otro equipo de astrónomos encontró lo que creían que era un sistema triple, a unos 1.100 años luz de la Tierra, que contiene un agujero negro de unas cuatro masas solares orbitando con dos estrellas. Si el sistema realmente contiene un agujero negro, sería el más cercano conocido a la Tierra, pero desde entonces otras investigaciones han presentado dudas sobre el descubrimiento.

Se han obtenido más resultados tentadores de los detectores de ondas gravitacionales como el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser, o LIGO. En el año 2019, los astrónomos observaron una fuente de ondas gravitacionales conocida como GW190814, provocada por la colisión de dos objetos. Una pesaba solo 2,6 masas solares, lo que significa que debe haber sido una estrella de neutrones extremadamente pesada o el agujero negro más ligero conocido. Además, se cree que la fusión de dos estrellas de neutrones, observada como un evento de onda gravitacional en el 2017, creó un agujero negro de aproximadamente 2,8 masas solares.

Desafortunadamente, los objetos detectados a través de ondas gravitacionales son difíciles de estudiar a largo plazo. Tienden a estar mucho más allá de nuestra galaxia, lo que significa que los astrónomos solo aprenden sobre ellos cuando emiten un breve estallido de ondas gravitacionales. Después de eso, estarán fuera de la vista para siempre.

El unicornio, por otro lado, está en nuestro patio trasero galáctico y se puede estudiar durante los próximos años. "El hecho de que la compañera sea una gigante roja y que esté cerca, hace que la observación sea más precisa y confiable", dice Vicky Kalogera, astrónoma de la Universidad Northwestern que no participó en la nueva investigación.

Colapso en el espacio-tiempo

Los astrónomos esperan que el unicornio y otros objetos similares arrojen luz sobre la física que rige la formación tanto de los agujeros negros como de las estrellas de neutrones. Ambos objetos se forman cuando una estrella llega al final de su vida, agotando su suministro de combustible nuclear. Pero el destino que le espera a cada estrella individual depende de su masa.

Si la estrella es un poco más grande que nuestro sol, estalla en una explosión de supernova. El resto de la estrella se comprime por gravedad para formar una estrella de neutrones, un objeto tan denso que el material está empaquetado con tanta fuerza como un núcleo atómico.

Sin embargo, si el objeto es mucho más pesado, entonces el objeto colapsa aún más bajo la fuerza de la gravedad, creando un agujero negro. Aunque la estrella puede haber vivido diez millones de años, ese final se desarrolla a una velocidad increíble.

"En un lapso de uno a cinco segundos, la estrella decide si explotará como una supernova y producirá una estrella de neutrones, o si colapsará y formará un agujero negro", dice Todd Thompson, astrónomo de la Universidad Estatal de Ohio y coautor del artículo de unicornio. “O podría haber un caso intermedio, donde explota un poco, pero aún tiene material retrocediendo, produciendo un agujero negro. Todo eso se decide en muy poco tiempo".

Un dilema para los investigadores es que es imposible estudiar directamente la física relevante. “Todavía no entendemos completamente cómo se comporta la materia en densidades nucleares”, dice Kalogera. “Ese es el desafío de la astronomía: No podemos imitar esas densidades en el laboratorio".

Los agujeros negros más pequeños, como el unicornio, podrían ayudar a los científicos a reconstruir este rompecabezas cósmico.

Puede surgir una imagen más clara cuando se publiquen más datos de la Agencia Espacial Europea. La nave espacial Gaia, diseñada para mapear las posiciones de las estrellas en el cielo con precisión milimétrica, quizás revelando más pequeños agujeros negros tirando de sus estrellas compañeras.

Los astrónomos también están esperando ansiosamente la próxima publicación de datos del Sloan Digital Sky Survey , que utiliza un telescopio en Nuevo México para proporcionar vistas detalladas de millones de objetos celestes y, por lo tanto, puede revelar el movimiento de las estrellas a medida que responden a compañeros invisibles. Los pequeños agujeros negros también se pueden encontrar por el Observatorio Vera C. Rubin, actualmente en construcción en Chile.

A medida que se disponga de más datos, los astrónomos esperan saber si la escasez de pequeños agujeros negros apunta a algún aspecto novedoso de la física estelar, o si los pequeños agujeros negros están esparcidos por toda la galaxia, sin contar hasta ahora porque acabamos de desarrollar lo que significa cazarlos.