Astrónomos descubren el agujero negro más cercano a la Tierra

por el Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica-Infrarroja 4 de noviembre de 2022.

Figura 1. Los astrónomos que utilizan el Observatorio Internacional Gemini, operado por NOIRLab de la NSF, han descubierto el agujero negro conocido más cercano a la Tierra. Esta es la primera detección inequívoca de un agujero negro de masa estelar inactivo en la Vía Láctea. Su proximidad a la Tierra, a solo 1600 años luz de distancia, ofrece un objetivo de estudio intrigante para avanzar en nuestra comprensión de la evolución de los sistemas binarios. Crédito: Observatorio Internacional Gemini/NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine/M. Zamani.

Los agujeros negros son los objetos más extremos del universo. Es probable que las versiones supermasivas de estos objetos inimaginablemente densos residan en los centros de todas las galaxias grandes. Los agujeros negros de masa estelar, que pesan aproximadamente de cinco a 100 veces la masa del sol, son mucho más comunes, con un estimado de 100 millones solo en la Vía Láctea. Sin embargo, hasta la fecha solo se han confirmado unos pocos, y casi todos están "activos", lo que significa que brillan intensamente en rayos X a medida que consumen material de un compañero estelar cercano, a diferencia de los agujeros negros inactivos que no lo hacen. Los astrónomos que utilizan el telescopio Gemini North en Hawai'i, uno de los telescopios gemelos del Observatorio Internacional Gemini, operado por NOIRLab de NSF, han descubierto el agujero negro más cercano a la Tierra, que los investigadores han denominado Gaia BH1. Este agujero negro inactivo pesa unas 10 veces la masa del sol y se encuentra a unos 1.600 años luz de distancia en la constelación de Ofiuco, lo que lo hace tres veces más cerca de la Tierra que el poseedor del récord anterior, un binario de rayos X en la constelación de Monoceros.
 
 El nuevo descubrimiento fue posible gracias a las exquisitas observaciones del movimiento del compañero del agujero negro, una estrella similar al sol que orbita el agujero negro aproximadamente a la misma distancia que la Tierra orbita alrededor del sol. "Toma el sistema solar, pon un agujero negro donde está el sol y el sol donde está la Tierra, y obtienes este sistema", explicó Kareem El-Badry, astrofísico del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian y el Instituto Max Planck de Astronomía, y el autor principal del artículo que describe este descubrimiento. "Si bien ha habido muchas detecciones de sistemas como este, 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. A medida que 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 está alimentando activamente (es decir, está inactivo), simplemente se mezcla 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, arrojaron una colección de sistemas binarios que se hacen pasar por agujeros negros, pero esta es la primera vez que la búsqueda ha dado sus frutos".

El equipo identificó originalmente que el sistema albergaba potencialmente un agujero negro mediante el análisis de datos de la nave espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea. Gaia capturó 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 en Gemini North, que midió la velocidad de la estrella compañera mientras orbitaba el agujero negro y proporcionó una medición precisa de su período orbital.

Las observaciones de seguimiento de Gemini fueron cruciales para restringir el movimiento orbital y, por lo tanto, las masas de los dos componentes en el sistema binario, lo que permitió 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 más allá de toda duda razonable que el binario 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 involucra al menos un agujero negro".

El equipo se basó no solo en las magníficas capacidades de observación de Gemini North, sino también en la capacidad de Gemini para proporcionar datos en un plazo ajustado, ya que el equipo tenía solo un período breve para realizar sus observaciones de seguimiento.

"Cuando tuvimos los primeros indicios de que el sistema contenía un agujero negro, solo teníamos una semana antes de que los dos objetos estuvieran en la separación más cercana en sus órbitas. Las mediciones en este punto son esenciales para hacer estimaciones de masa precisas en un sistema binario". dijo El-Badry. "La capacidad de Gemini para proporcionar observaciones de respuesta rápida fue fundamental para el éxito del proyecto. Si hubiéramos perdido esa ventana estrecha, habríamos tenido que esperar otro año".

Los modelos actuales de los astrónomos sobre la evolución de los sistemas binarios están en apuros para explicar cómo pudo haber surgido la peculiar configuración del sistema Gaia BH1. Específicamente, la estrella progenitora que luego se convirtió en el agujero negro recién detectado habría sido al menos 20 veces más masiva que nuestro sol.

Esto significa que habría vivido solo unos pocos millones de años. Si ambas estrellas se formaron al mismo tiempo, esta estrella masiva se habría convertido rápidamente en una supergigante, hinchando y engullendo a la otra estrella antes de que tuviera tiempo de convertirse en una estrella de secuencia principal que quema hidrógeno como nuestro sol.

No está del todo claro cómo la estrella de masa solar pudo haber sobrevivido a ese episodio, terminando como una estrella aparentemente normal, como indican las observaciones del binario del agujero negro. Todos los modelos teóricos que permiten la supervivencia predicen que la estrella de masa solar debería haber terminado en una órbita mucho más estrecha de lo que realmente se observa.

Esto podría indicar que existen lagunas importantes en nuestra comprensión de cómo se forman y evolucionan los agujeros negros en sistemas binarios, y también sugiere la existencia de una población aún no explorada de agujeros negros inactivos en sistemas binarios.

"Es interesante que este sistema no se adapte fácilmente a los modelos estándar de evolución binaria", concluyó El-Badry. "Plantea muchas preguntas sobre cómo se formó este sistema binario, así como cuántos de estos agujeros negros inactivos existen".

"Como parte de una red de observatorios espaciales y terrestres, Gemini North no solo ha proporcionado pruebas sólidas del agujero negro más cercano hasta la fecha, sino también del primer sistema de agujeros negros prístino, libre del gas caliente habitual que interactúa con el agujero negro". ", dijo Martin Still, oficial del programa Gemini de la NSF.

"Si bien esto augura potencialmente futuros descubrimientos de la población de agujeros negros inactivos predicha en nuestra galaxia, las observaciones también dejan un misterio por resolver: a pesar de una historia compartida con su vecino exótico, ¿por qué la estrella compañera en este sistema binario es tan normal?"

Referencias

[1] Kareem El-Badry et al, A sun-like star orbiting a black hole, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society(2022). DOI: 10.1093/mnras/stac3140

[2] Astronomers discover closest black hole to Earth , by National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory. URL: https://phys.org/news/2022-11-astronomers-closest-black-hole-earth.html

Artículo traducido y editado por J. F. G.