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Impresión artística del agujero negro más cercano a la Tierra y su estrella compañera similar al Sol. Crédito: NOIRLab
Los astrónomos que utilizan el Observatorio Internacional Gemini, operado por el NOIRLab de la NSF, han descubierto el agujero negro más cercano a la Tierra que se conoce. Se trata de la primera detección inequívoca de un agujero negro de masa estelar inactivo en la Vía Láctea. Su proximidad a la Tierra, a sólo 1.600 años luz, ofrece un intrigante objetivo de estudio para avanzar en nuestra comprensión de la evolución de los sistemas binarios.
Los agujeros negros son los objetos más extremos del Universo. Las versiones supermasivas de estos objetos inimaginablemente densos probablemente residen en los centros de todas las grandes galaxias. Los agujeros negros de masa estelar -que pesan aproximadamente entre cinco y cien veces la masa del Sol- son mucho más comunes, y se calcula que hay unos 100 millones sólo en la Vía Láctea. Sin embargo, sólo se han confirmado unos pocos hasta la fecha, y casi todos ellos son "activos", lo que significa que brillan en rayos X al consumir material de una compañera estelar cercana, a diferencia de los agujeros negros inactivos, que no lo hacen.
Los astrónomos que utilizan el telescopio Gemini North en Hawai, uno de los telescopios gemelos del Observatorio Internacional Gemini, operado por el NOIRLab de la NSF, han descubierto el agujero negro más cercano a la Tierra, que los investigadores han bautizado como Gaia BH1. Este agujero negro inactivo es unas 10 veces más masivo que el Sol y se encuentra a unos 1600 años luz de distancia en la constelación de Ofiuco, lo que lo hace tres veces más cercano a la Tierra que el anterior poseedor del récord, una binaria de rayos X en la constelación de Monoceros. El nuevo descubrimiento ha sido posible gracias a exquisitas observaciones del movimiento de la compañera del agujero negro, una estrella similar al Sol que orbita alrededor del agujero negro a la misma distancia que la Tierra orbita alrededor del Sol.
"Tomemos el Sistema Solar, pongamos un agujero negro donde está el Sol, y el Sol donde está la Tierra, y obtendremos este sistema", explicó Kareem El-Badry, astrofísico del Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian y del Instituto Max Planck de Astronomía, y autor principal del artículo que describe este descubrimiento. "Aunque se ha afirmado que se han detectado muchos sistemas como éste, casi todos estos descubrimientos han sido refutados posteriormente. Esta es la primera detección inequívoca de una estrella similar al Sol en una órbita amplia alrededor de un agujero negro de masa estelar en nuestra galaxia".
Aunque es probable que haya millones de agujeros negros de masa estelar vagando por la Vía Láctea, los pocos que se han detectado fueron descubiertos por sus interacciones energéticas con una estrella compañera. Cuando el material de una estrella cercana entra en espiral hacia el agujero negro, se sobrecalienta y genera potentes rayos X y chorros de material. Si un agujero negro no se alimenta activamente (es decir, está inactivo), simplemente se funde con su entorno.
"He estado buscando agujeros negros inactivos durante los últimos cuatro años utilizando una amplia gama de conjuntos de datos y métodos", dijo El-Badry. "Mis intentos anteriores -así como los de otros- dieron como resultado una colección de sistemas binarios que se hacen pasar por agujeros negros, pero ésta es la primera vez que la búsqueda da sus frutos".
El equipo identificó originalmente el sistema como posible sede de un agujero negro analizando los datos de la nave espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea. Gaia captó las diminutas irregularidades en el movimiento de la estrella causadas por la gravedad de un objeto masivo invisible. Para explorar el sistema con más detalle, El-Badry y su equipo recurrieron al instrumento Gemini Multi-Object Spectrograph de Gemini North, que midió la velocidad de la estrella compañera mientras orbitaba alrededor del agujero negro y proporcionó una medición precisa de su período orbital. Las observaciones de seguimiento de Gemini fueron cruciales para limitar el movimiento orbital y, por tanto, las masas de los dos componentes del sistema binario, permitiendo al equipo identificar el cuerpo central como un agujero negro aproximadamente 10 veces más masivo que nuestro Sol.
"Nuestras observaciones de seguimiento de Gemini confirmaron sin lugar a dudas que la binaria contiene una estrella normal y al menos un agujero negro inactivo", explicó El-Badry. "No pudimos encontrar ningún escenario astrofísico plausible que pueda explicar la órbita observada del sistema que no implique al menos un agujero negro".
El equipo no sólo se apoyó en las magníficas capacidades de observación de Gemini North, sino también en la capacidad de Gemini para proporcionar datos en un plazo muy ajustado, ya que el equipo sólo disponía de un breve plazo para realizar sus observaciones de seguimiento.
"Cuando tuvimos los primeros indicios de que el sistema contenía un agujero negro, sólo disponíamos de una semana antes de que los dos objetos estuvieran a la máxima separación en sus órbitas. Las mediciones en este punto son esenciales para hacer estimaciones precisas de la masa en un sistema binario", dijo El-Badry. "La capacidad de Gemini para proporcionar observaciones en un plazo corto fue fundamental para el éxito del proyecto. Si hubiéramos perdido esa estrecha ventana, habríamos tenido que esperar otro año".
Los modelos actuales de los astrónomos sobre la evolución de los sistemas binarios tienen dificultades para explicar cómo pudo surgir la peculiar configuración del sistema Gaia BH1. En concreto, la estrella progenitora que posteriormente se convirtió en el agujero negro recién detectado habría sido al menos 20 veces más masiva que nuestro Sol. Esto significa que sólo habría vivido unos pocos millones de años. Si ambas estrellas se formaron al mismo tiempo, esta estrella masiva se habría convertido rápidamente en una supergigante, hinchándose y engullendo a la otra estrella antes de que ésta tuviera tiempo de convertirse en una estrella propia de la secuencia principal, que quema hidrógeno, como nuestro Sol.
No está en absoluto claro cómo la estrella de masa solar podría haber sobrevivido a ese episodio, terminando como una estrella aparentemente normal, como indican las observaciones del agujero negro binario. Los modelos teóricos que sí permiten la supervivencia predicen que la estrella de masa solar debería haber terminado en una órbita mucho más estrecha que la observada.
Esto podría indicar que existen importantes lagunas en nuestra comprensión de cómo se forman y evolucionan los agujeros negros en los sistemas binarios, y también sugiere la existencia de una población aún inexplorada de agujeros negros inactivos en las binarias.
"Es interesante que este sistema no se adapte fácilmente a los modelos estándar de evolución de las binarias", concluyó El-Badry. "Plantea muchas preguntas sobre cómo se formó este sistema binario, así como sobre cuántos de estos agujeros negros inactivos hay por ahí".
"Como parte de una red de observatorios espaciales y terrestres, Gemini Norte no sólo ha proporcionado pruebas sólidas del agujero negro más cercano hasta la fecha, sino también el primer sistema de agujeros negros prístino, sin el habitual gas caliente que interactúa con el agujero negro", dijo el responsable del programa Gemini de la NSF, Martin Still. "Aunque esto augura potencialmente futuros descubrimientos de la población de agujeros negros inactivos prevista en nuestra Galaxia, las observaciones también dejan un misterio por resolver: a pesar de una historia compartida con su exótica vecina, ¿por qué la estrella compañera de este sistema binario es tan normal?"
Fuentes, creditos y referencias:
Fuente: NOIRLab