La materia en un agujero negro está tan densamente comprimida que nada puede escapar de su inmensa atracción gravitatoria, ni siquiera la luz. La gran mayoría de los agujeros negros de masa estelar que conocemos están engullendo materia de alguna estrella compañera cercana. El material capturado cae sobre el objeto colapsado a gran velocidad, alcanzando temperaturas extremadamente elevadas y emitiendo rayos X. Estos sistemas pertenecen a una familia de objetos celestes denominados binarias de rayos X.

Cuando un agujero negro no tiene un compañero lo suficientemente cerca como para robarle materia, no genera ninguna luz y es extremadamente difícil de detectar. A estos agujeros negros se les denomina «latentes».

Para preparar la publicación del próximo catálogo de Gaia, Data Release 4 (DR4), los científicos están comprobando los movimientos de miles de millones de estrellas y realizando complejas pruebas para ver si hay algo fuera de lo normal. Los movimientos de las estrellas pueden verse afectados por compañeros: ligeros, como los exoplanetas; más pesados, como las estrellas; o muy pesados, como los agujeros negros. La colaboración Gaia cuenta con equipos especializados para investigar cualquier caso «extraño».

Uno de estos equipos estaba inmerso en esta labor, cuando les llamó la atención una vieja estrella gigante en la constelación de Aquila, a una distancia de 1926 años luz de la Tierra. Al analizar en detalle el bamboleo en la trayectoria de la estrella, se encontraron con una gran sorpresa. La estrella estaba atrapada en un movimiento orbital alrededor de un agujero negro latente de una masa excepcionalmente alta, unas 33 veces la del Sol.

Este es el tercer agujero negro latente encontrado con Gaia y fue bautizado acertadamente como «Gaia BH3». Su descubrimiento es muy emocionante debido a la masa del objeto. «Este es el tipo de descubrimiento que haces una vez en tu vida como investigador», exclama Pasquale Panuzzo, del CNRS, Observatorio de París, en Francia, que es el autor principal de este hallazgo. «Hasta ahora, agujeros negros tan grandes solo han sido detectados en galaxias lejanas gracias a la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA, gracias a observaciones de ondas gravitacionales».

La masa promedio de los agujeros negros conocidos de origen estelar en nuestra galaxia es de unas 10 veces la masa de nuestro Sol. Hasta ahora, el récord lo ostentaba un agujero negro en una binaria de rayos X en la constelación de Cygnus (Cyg X-1) cuya masa se estima en unas 20 veces la del Sol.

«Es impresionante ver el impacto transformador que Gaia está teniendo en la astronomía y la astrofísica», señala la profesora Carole Mundell, directora científica de la ESA. «Sus descubrimientos están superando ampliamente el propósito original de la misión, que es crear un mapa multidimensional extraordinariamente preciso de más de mil millones de estrellas a lo largo de nuestra Vía Láctea».

Precisión inigualable

La exquisita calidad de los datos de Gaia permitió a los científicos determinar la masa del agujero negro con una precisión sin precedentes y proporcionar la evidencia más directa de que existen agujeros negros en este rango de masas.

Los astrónomos se enfrentan a la apremiante cuestión de explicar el origen de agujeros negros tan grandes como Gaia BH3. Nuestra comprensión actual de cómo evolucionan y mueren las estrellas masivas no explica directamente cómo llegaron a formarse este tipo de agujeros negros.

La mayoría de las teorías predicen que, a medida que envejecen, las estrellas masivas arrojan una parte considerable de su material a través de fuertes vientos; en última instancia, son parcialmente eyectadas al espacio cuando explotan como supernovas. Lo que queda de su núcleo se contrae aún más para convertirse en una estrella de neutrones o en un agujero negro, depende de cuál sea su masa. Los núcleos lo suficientemente grandes como para acabar convirtiéndose en agujeros negros de 30 veces la masa de nuestro Sol son muy difíciles de explicar.

Sin embargo, una pista de este rompecabezas puede estar muy cerca de Gaia BH3.

Una compañera intrigante

La estrella que orbita Gaia BH3 a unas 16 veces la distancia Sol-Tierra es bastante poco común: una vieja estrella gigante, que se formó en los primeros dos mil millones de años después del Big Bang, en el momento en que nuestra galaxia comenzó a formarse. Pertenece a la familia del halo estelar galáctico y se está moviendo en dirección opuesta a las estrellas del disco galáctico. Su trayectoria indica que esta estrella probablemente formaba parte de una pequeña galaxia o de un cúmulo globular y fue engullida por nuestra propia galaxia hace más de ocho mil millones de años.

La estrella compañera tiene muy pocos elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, lo que indica que la estrella masiva que se convirtió en Gaia BH3 también podría haber sido muy pobre en elementos pesados. Esto es notable. Apoya, por primera vez, la teoría de que los agujeros negros de alta masa observados por los experimentos de ondas gravitacionales se produjeron por el colapso de estrellas masivas primigenias pobres en elementos pesados. Estas primeras estrellas podrían haber evolucionado de forma diferente a las estrellas masivas que vemos actualmente en nuestra galaxia.

La composición de la estrella compañera también puede arrojar luz sobre el mecanismo de formación de este asombroso sistema binario. «Lo que me llama la atención es que la composición química de la compañera es similar a la que encontramos en las estrellas viejas 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 se contaminara con el material arrojado por la explosión de supernova de la estrella masiva que se convirtió en BH3». Esto podría sugerir que el agujero negro adquirió a su compañera después de su nacimiento, capturándola de otro sistema.

Aperitivo sabroso

El descubrimiento del Gaia BH3 es solo el comienzo y aún queda mucho por investigar sobre su desconcertante naturaleza. Ahora que se ha despertado la curiosidad de los científicos, este agujero negro y su compañera serán, sin duda, objeto de muchos estudios en profundidad en el futuro.

La colaboración Gaia se topó con este «gigante dormido» mientras comprobaba los datos preliminares en la preparación de la cuarta edición del catálogo de Gaia. El hallazgo es tan excepcional que han decidido anunciarlo antes de la publicación oficial.

La próxima publicación de datos de Gaia promete ser una mina de oro para el estudio de sistemas binarios y el descubrimiento de más agujeros negros latentes en nuestra galaxia. «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», concluye Berry Holl, de la Universidad de Ginebra, en Suiza, miembro de la colaboración Gaia.

ESA