La ‘policía de los agujeros negros’ descubre un agujero negro inactivo fuera de nuestra galaxia
Un equipo internacional con amplia experiencia, reconocido por refutar varios descubrimientos de agujeros negros, ha descubierto un agujero negro de masa estelar en la Gran Nube de Magallanes, una galaxia vecina a la nuestra. Tal y como afirma el autor principal del estudio, Tomer Shenar, “Por primera vez, nuestro equipo se reunió para dar a conocer el descubrimiento de un agujero negro en lugar de refutarlo”. Además, descubrieron que la estrella que dio origen al agujero negro desapareció sin ningún signo de potente explosión. El descubrimiento se realizó gracias a seis años de observaciones obtenidas con el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO).
La impresión de este artista muestra cómo se vería el sistema binario VFTS 243 si lo estuviéramos observando de cerca. El sistema, que se encuentra en la Nebulosa de la Tarántula en la Gran Nube de Magallanes, está compuesto por una estrella azul caliente con 25 veces la masa del Sol y un agujero negro, que es al menos nueve veces la masa del Sol. Los tamaños de los dos componentes binarios no están a escala: en realidad, la estrella azul es unas 200 000 veces más grande que el agujero negro. Tenga en cuenta que el efecto de “lente” alrededor del agujero negro se muestra solo con fines ilustrativos, para que este objeto oscuro se note más en la imagen. La inclinación del sistema hace que, al mirarlo desde la Tierra, no podamos observar el agujero negro eclipsando a la estrella.
“Identificamos una ‘aguja en un pajar’“, confirma Shenar, quien comenzó el estudio en el centro KU Leuven, en Bélgica [1] y ahora cuenta con una beca Marie-Curie en la Universidad de Ámsterdam (Países Bajos). Aunque se han propuesto otros candidatos similares a agujeros negros, el equipo afirma que este es el primer agujero negro de masa estelar “inactivo” que se detecta inequívocamente fuera de nuestra galaxia.
Los agujeros negros de masa estelar se forman cuando las estrellas masivas llegan al final de sus vidas y colapsan bajo su propia gravedad. En un sistema binario (un sistema de dos estrellas que giran una alrededor de la otra), este proceso deja un agujero negro en órbita con una estrella compañera luminosa. El agujero negro está “inactivo” si no emite altos niveles de radiación de rayos X, que es la forma en que normalmente se detectan dichos agujeros negros. “Es increíble que apenas sepamos de la existencia de estos agujeros negros inactivos, dado lo comunes que la comunidad astronómica supone que son”, explica el coautor, Pablo Marchant, de KU Leuven. El agujero negro recién encontrado tiene al menos nueve veces la masa de nuestro Sol y orbita una estrella azul caliente que pesa 25 veces la masa del Sol.
Los agujeros negros inactivos son particularmente difíciles de detectar ya que no interactúan mucho con su entorno. “Durante más de dos años, hemos estado buscando este tipo de sistemas binarios de agujeros negros”, afirma la coautora, Julia Bodensteiner, investigadora de ESO en Alemania. “Me emocioné mucho cuando conocí los datos sobre VFTS 243, que en mi opinión es el candidato más convincente reportado hasta la fecha.” [2]
Para encontrar a VFTS 243, la colaboración buscó casi 1000 estrellas masivas en la región de la Nebulosa de la Tarántula de la Gran Nube de Magallanes, buscando las que podrían tener agujeros negros como compañeros. Identificar a estos compañeros como agujeros negros es extremadamente difícil, ya que existen muchas posibilidades alternativas.
“Como investigador que ha refutado posibles agujeros negros en los últimos años, era extremadamente escéptico con respecto a este descubrimiento“, dice Shenar. El escepticismo fue compartido por el coautor Kareem El-Badry, del Centro de Astrofísica|Harvard & Smithsonian, en los Estados Unidos, a quien Shenar llama el “destructor de agujeros negros”. “Cuando Tomer me pidió que revisara sus hallazgos, tuve mis dudas. Pero no pude encontrar una explicación plausible para los datos que no involucraran un agujero negro”, explica El-Badry.
El descubrimiento también ofrece al equipo una visión única de los procesos que acompañan la formación de agujeros negros. La comunidad astronómica cree que un agujero negro de masa estelar se forma a medida que el núcleo de una estrella masiva moribunda colapsa, pero sigue sin quedar claro si este proceso va acompañado o no por una potente explosión de supernova.
“La estrella que formó el agujero negro en VFTS 243 parece haber colapsado por completo, sin signos de una explosión anterior“, explica Shenar. “La evidencia de este escenario de ‘colapso directo’ ha surgido recientemente, pero podría decirse que nuestro estudio proporciona una de las indicaciones más claras. Esto tiene enormes implicaciones para el origen de las fusiones de agujeros negros en el cosmos.“.
El agujero negro de VFTS 243 se encontró utilizando seis años de observaciones de la Nebulosa de la Tarántula llevadas a cabo por el instrumento FLAMES (Fibre Large Array Multi Element Spectrograph, espectrógrafo multielemento de gran matriz de fibras), instalado en el VLT de ESO [3].
A pesar del apodo de “policía de agujeros negros”, el equipo fomenta activamente el escrutinio y espera que su trabajo, publicado hoy en Nature Astronomy, permita el descubrimiento de otros agujeros negros de masa estelar que orbitan estrellas masivas, miles de los cuales se predice que existen en la Vía Láctea y en las Nubes de Magallanes.
“Por supuesto, espero que otras personas que trabajan en este campo estudien detenidamente nuestro análisis y traten de deducir modelos alternativos”, concluye El-Badry. “Es un proyecto muy emocionante del que formar parte“.
Notas
[1] El trabajo se llevó a cabo en el equipo dirigido por Hugues Sana en el Instituto de Astronomía de KU Leuven.
[2] Un estudio separado, dirigido por Laurent Mahy, que involucra a muchos de los mismos miembros del equipo y aceptado para su publicación en Astronomy & Astrophysics, informa sobre otro prometedor candidato a agujero negro de masa estelar situado en el sistema de 130298 HD, en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.
[3] Las observaciones utilizadas en el estudio abarcan unos seis años: consisten en datos del Sondeo VLT FLAMES de la Tarántula (dirigido por Chris Evans, Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido, STFC, Royal Observatory, Edimburgo; ahora en la Agencia Espacial Europea) obtenidos en 2008 y 2009, y datos adicionales del programa Monitoreo masivo de binarias en la Tarántula (dirigido por Hugues Sana, KU Leuven), obtenidos entre 2012 y 2014.
Información adicional
Este trabajo de investigación se ha presentado en el artículo científico titulado “An X-ray quiet black hole born with a negligible kick in a massive binary of the Large Magellanic Cloud” que aparece en Nature Astronomy (doi: 10.1038/s41550-022-01730-y).
La investigación que ha dado lugar a estos resultados ha recibido financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (772225: MULTIPLES) (PI: Sana).
El equipo está formado por T. Shenar (Instituto de Astronomía, KU Leuven, Bélgica [KU Leuven]; Anton Pannekoek (Instituto de Astronomía, Universidad de Ámsterdam, Ámsterdam, Países Bajos [API]); H. Sana (KU Leuven); L. Mahy (Real Observatorio de Bélgica, Bruselas, Bélgica); K. El-Badry (Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian, Cambridge, EE.UU. [CfA]; Sociedad de becarios de Harvard, Cambridge, EE.UU.; Instituto Max Planck de Astronomía, Heidelberg, Alemania [MPIA]); P. Marchant (KU Leuven); N. Langer (Instituto Argelander de Astronomía de la Universidad de Bonn, Alemania; Instituto Max Planck de Radioastronomía, Bonn, Alemania [MPIfR]); C. Hawcroft (KU Leuven); M. Fabry (KU Leuven); K. Sen (Instituto Argelander de Astronomía de la Universidad de Bonn, Alemania; MPIfR); L. A. Almeida (Universidad Federal de Río Grande del Norte, Natal, Brasil; Universidad Estatal de Río Grande del Norte, Mossoró, Brasil); M. Abdul-Masih (ESO, Santiago, Chile); J. Bodensteiner (ESO, Garching, Alemania); P. Crowther (Departamento de Física & Astronomía, Universidad de Sheffield, Reino Unido); M. Gieles (ICREA, Barcelona, España; Instituto de Ciencias del Cosmos, Universidad de Barcelona, Barcelona, España); M. Gromadzki (Observatorio Astronómico, Universidad de Varsovia, Polonia [Warsaw]); V. Henault-Brunet (Departamento de Astronomía y Física, Universidad Saint Mary, Halifax, Canadá); A. Herrero (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, España [IAC]; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Tenerife, España [IAC-ULL]); A. de Koter (KU Leuven, API); P. Iwanek (Warsaw); S. Kozłowski (Warsaw); D. J. Lennon (IAC, IAC-ULL); J. Maíz Apellániz (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, España); P. Mróz (Warsaw); A. F. J. Moffat (Departamento de Física e Instituto para la Investigación de Exoplanetas, Universidad de Montreal, Canadá); A. Picco (KU Leuven); P. Pietrukowicz (Warsaw); R. Poleski (Warsaw); K. Rybicki (Warsaw y Departamento de Física de Partículas y Astrofísica, Instituto Weizmann de Ciencias, Israel); F. R. N. Schneider (Instituto Heidelberg para Estudios Teóricos, Heidelberg, Alemania [HITS]; Instituto de Cálculo Astronómico, Centro de Astronomía de la Universidad de Heidelberg, Heidelberg, Alemania); D. M. Skowron (Warsaw); J. Skowron (Warsaw); I. Soszyński (Warsaw); M. K. Szymański (Warsaw); S. Toonen (API); A. Udalski (Warsaw); K. Ulaczyk (Departamento de Física, Universidad de Warwick, Reino Unido); J. S. Vink (Observatorio & Planetario Armagh, Reino Unido); y M. Wrona (Warsaw).
El Observatorio Europeo Austral (ESO) pone a disposición de la comunidad científica mundial los medios necesarios para desvelar los secretos del Universo en beneficio de todos. Diseñamos, construimos y operamos observatorios de vanguardia basados en tierra -utilizados por la comunidad astronómica para abordar preguntas emocionantes y difundir la fascinación por la astronomía- y promovemos la colaboración internacional en astronomía. Establecida como organización intergubernamental en 1962, hoy ESO cuenta con el apoyo de 16 Estados Miembros (Alemania, Austria, Bélgica, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Irlanda, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza), junto con Chile, país anfitrión, y con Australia como socio estratégico. La sede de ESO y su planetario y centro de visitantes, el ESO Supernova, se encuentran cerca de Múnich (Alemania), mientras que el desierto chileno de Atacama, un lugar maravilloso con condiciones únicas para observar el cielo, alberga nuestros telescopios. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope junto con su interferómetro VLTI (Very Large Telescope Interferometer), así como dos telescopios de rastreo: VISTA, que trabaja en el infrarrojo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT), que rastrea en luz visible. También en Paranal, ESO albergará y operará el Cherenkov Telescope Array South, el observatorio de rayos gamma más grande y sensible del mundo. En Chajnantor, junto con socios internacionales, ESO opera APEX y ALMA, dos instalaciones que observan los cielos en el rango milimétrico y submilimétrico. En Cerro Armazones, cerca de Paranal, estamos construyendo “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”: el Telescopio Extremadamente Grande de ESO (ELT, Extremely Large Telescope). Desde nuestras oficinas en Santiago (Chile), apoyamos el desarrollo de nuestras operaciones en el país y nos comprometemos con los socios chilenos y con la sociedad chilena.
