Los agujeros negros en el centro de la Vía Láctea (la galaxia natal de la Tierra) y Andrómeda (uno de nuestros vecinos galácticos más cercanos) se encuentran entre los devoradores más silenciosos del Universo. La poca luz que emiten varía implícitamente en brillo, lo que sugiere que consumen un flujo pequeño pero constante de materia en lugar de grandes acumulaciones. Los flujos se acercan al agujero negro gradualmente y en espiral, del mismo modo que el agua se arremolina en un desagüe.
Hay un nuevo y gran agujero negro en la Vía Láctea y está acechando cerca de la Tierra. Este gigante dormido fue descubierto por el telescopio espacial europeo Gaia, que rastrea los movimientos de miles de millones de estrellas en nuestra galaxia. El agujero negro de masa estelar, denominado Gaia-BH3, es 33 veces más masivo que nuestro Sol. El anterior agujero negro más masivo de esta clase descubierto en la Vía Láctea fue un agujero negro en un sistema binario de rayos X en la constelación de Cygnus (Cyg X-1), que se estima que tiene una masa de unas 20 veces la masa de el sol. El agujero negro de masa estelar promedio en la Vía Láctea es aproximadamente 10 veces más masivo que el Sol.
Gaia-BH3 se encuentra a sólo 2.000 años luz de la Tierra, lo que lo convierte en el segundo agujero negro más cercano jamás descubierto a nuestro planeta. El agujero negro más cercano a la Tierra es Gaia-BH1 (también descubierto por Gaia), que se encuentra a 1.560 años luz de distancia. Gaia-BH1 tiene una masa aproximadamente 9,6 veces la masa del Sol, lo que lo hace significativamente más pequeño que este agujero negro recién descubierto, informa la revista Astronomy & Astrophysics.
Tres agujeros negros de masa estelar en nuestra galaxia: (izquierda) Gaia BH1, (centro) Cygnus X-1 y (derecha) Gaia BH3, cuyas masas son 10, 21 y 33 veces la masa del Sol, respectivamente. Gaia BH3 es el agujero negro de masa estelar más masivo descubierto hasta la fecha en la Vía Láctea. ESO/M. Kornmesser
Por supuesto, Gaia-BH3 es poca cosa en comparación con el agujero negro supermasivo que domina el corazón de la Vía Láctea, Sagitario A* (Sgr A*), que tiene una masa 4,2 millones de veces la del Sol. Los agujeros negros supermasivos como Sgr A* no se crean por la muerte de estrellas masivas, sino por la fusión de agujeros negros cada vez más grandes.
Todos los agujeros negros están marcados por un límite exterior llamado horizonte de sucesos, donde la velocidad de escape del agujero negro excede la velocidad de la luz. Esto significa que el horizonte de sucesos es una superficie unidireccional que atrapa la luz más allá de la cual ninguna información puede escapar.
La región alrededor del agujero negro Gaia-BH3. ESO/Encuesta del cielo digitalizado
Como resultado, los agujeros negros no emiten ni reflejan luz, lo que significa que sólo pueden “verse” cuando están rodeados por el material del que se alimentan gradualmente. A veces esto significa un agujero negro en un sistema binario que está extrayendo material de una estrella compañera, formando un disco de gas y polvo a su alrededor.
La enorme influencia gravitacional de los agujeros negros genera intensas fuerzas de marea en esta materia circundante, haciendo que ésta brille intensamente con material que se destruye y consume, emitiendo también rayos X. Además, el material que el agujero negro no come puede dirigirse hacia sus polos y expulsarse en forma de chorros con una velocidad cercana a la de la luz, que van acompañados de la emisión de luz.
Todas estas emisiones de luz podrían permitir a los astrónomos detectar agujeros negros. La pregunta es: ¿cómo podemos detectar agujeros negros inactivos que no se alimentan del gas y el polvo que los rodean? Por ejemplo, ¿qué pasa si un agujero negro de masa estelar tiene una estrella compañera, pero están demasiado separadas para que el agujero negro pueda arrebatar materia estelar a su compañera binaria?
Diagrama que muestra la ubicación de tres agujeros negros descubiertos por Gaia. Colaboración ESA/Gaia
En tales casos, el agujero negro y su estrella compañera orbitan alrededor de un punto que representa el centro de masa del sistema. Esto también ocurre cuando la estrella está orbitada por un compañero ligero, como otra estrella o incluso un planeta.
La rotación del centro de masa provoca una oscilación en el movimiento de la estrella que ven los astrónomos. Debido a que Gaia tiene una amplia experiencia en medir con precisión el movimiento de las estrellas, es una herramienta ideal para observar este bamboleo.
El equipo de investigación del agujero negro de Gaia comenzó a buscar fluctuaciones extrañas que no pudieran explicarse por la presencia de otra estrella o planeta y que indicarían la presencia de un compañero más pesado, quizás un agujero negro.
Mientras se dirigía hacia una vieja estrella gigante en la constelación de Aquila, ubicada a 1.926 años luz de la Tierra, el equipo detectó una oscilación en la trayectoria de la estrella. Esta oscilación sugiere que la estrella está atrapada en un movimiento orbital con un agujero negro inactivo de masa excepcionalmente alta. Están separados por una distancia que varía desde la distancia entre el Sol y Neptuno en su punto más ancho y nuestra estrella y Júpiter en su punto más cercano. Gracias a la sensibilidad de Gaia, el Black Hole Task Force también pudo imponer restricciones a la masa de Gaia-BH3, determinando que tiene 33 masas solares.
Representación artística del sistema que contiene el agujero negro estelar más masivo de nuestra galaxia. ESO/L. Calzada
“Gaia-BH3 es el primer agujero negro cuya masa hemos podido medir con tanta precisión”, dijo Tsevi Maseh, científico y miembro de la colaboración Gaia en la Universidad de Tel Aviv. “Con 30 veces la masa de nuestro Sol, la masa del objeto es típica de las estimaciones que tenemos para las masas de agujeros negros muy distantes observadas en experimentos de ondas gravitacionales. Las mediciones de Gaia proporcionan la primera evidencia concluyente de que los agujeros negros [de masa estelar] de esta gran masa realmente existen”.
Sin embargo, el sistema Gaia-BH3 probablemente será de gran interés para los científicos no sólo por su proximidad a la Tierra y la masa de su agujero negro.
La estrella de este sistema es una subgigante aproximadamente cinco veces más grande que el Sol y 15 veces más brillante, aunque es más fría y menos densa que nuestra estrella. La estrella compañera Gaia-BH3 está compuesta principalmente de hidrógeno y helio, los dos elementos más ligeros del Universo, y carece de los elementos más pesados que los astrónomos (de forma un tanto confusa) llaman “metales”.
El hecho de que esta estrella sea “pobre en metales” sugiere que la estrella que colapsó y murió para crear Gaia-BH3 también carecía de elementos más pesados. Se espera que las estrellas pobres en metales pierdan más masa que sus contrapartes ricas en metales a lo largo de su vida, por lo que los científicos se preguntan si pueden soportar suficiente masa para dar origen a agujeros negros. Gaia-BH3 representa el primer indicio de que las estrellas pobres en metales podrían hacer esto.
“Se espera que la próxima publicación de datos de Gaia contenga mucha más información que debería ayudarnos a ‘ver’ más de la ‘matriz’ y comprender cómo se forman los agujeros negros de las estrellas inactivas”, concluyó Seabrock.
Los agujeros negros en el centro de la Vía Láctea (la galaxia natal de la Tierra) y Andrómeda (uno de nuestros vecinos galácticos más cercanos) se encuentran entre los devoradores más silenciosos del Universo. La poca luz que emiten varía implícitamente en brillo, lo que sugiere que consumen un flujo pequeño pero constante de materia en lugar de grandes acumulaciones. Los flujos se acercan al agujero negro gradualmente y en espiral, del mismo modo que el agua se arremolina en un desagüe.
Utilizando modelos informáticos, los autores simularon cómo podrían comportarse con el tiempo el gas y el polvo cercanos al agujero negro supermasivo de Andrómeda. Las simulaciones han demostrado que se puede formar un pequeño disco de gas caliente cerca de un agujero negro supermasivo y alimentarlo continuamente. El disco se puede reponer y mantener mediante numerosos flujos de gas y polvo.
Sin embargo, los investigadores también descubrieron que estos flujos deben permanecer dentro de un cierto tamaño y caudal; de lo contrario, la materia caerá en el agujero negro en grupos irregulares, provocando fluctuaciones de luz aún mayores.
Cuando los autores compararon sus hallazgos con datos de Spitzer y el Telescopio Espacial Hubble de la NASA, encontraron espirales de polvo previamente identificadas por Spitzer que se ajustaban a estas limitaciones. De esto, los autores concluyeron que las espirales alimentan el agujero negro supermasivo de Andrómeda.
Esta vista de primer plano del centro de la galaxia de Andrómeda, tomada por el antiguo Telescopio Espacial Spitzer de la NASA, está marcada con líneas de puntos azules que resaltan el camino de dos corrientes de polvo que fluyen hacia el agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia (indicado por el color púrpura punto). NASA/JPL-Caltech
“Este es un excelente ejemplo de cómo los científicos están revisando datos de archivo para aprender más sobre la dinámica de las galaxias comparándolas con las últimas simulaciones por computadora”, dijo Almudena Prieto, astrofísica del Instituto de Astrofísica de Canarias y la Universidad de Munich. Observatorio y coautor del estudio publicado este año. “Tenemos datos de hace 20 años que nos dicen cosas que no reconocimos cuando los recopilamos por primera vez”.
Lanzado en 2003 y operado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Spitzer estudió el universo en luz infrarroja, invisible al ojo humano. Las diferentes longitudes de onda revelan diferentes características de Andrómeda, incluidas fuentes de luz más calientes, como las estrellas, y fuentes más frías, como el polvo.
Al separar estas longitudes de onda y observar sólo el polvo, los astrónomos pueden ver el “esqueleto” de una galaxia: los lugares donde el gas se ha condensado y enfriado, formando a veces polvo, creando las condiciones para la formación de estrellas. Esta mirada a Andrómeda reveló algunas sorpresas. Por ejemplo, aunque es una galaxia espiral como la Vía Láctea, Andrómeda está dominada por un gran anillo de polvo en lugar de brazos individuales que rodean su centro. Las imágenes también mostraron un agujero secundario en una parte del anillo por el que había pasado una galaxia enana.
La proximidad de Andrómeda a la Vía Láctea significa que desde la Tierra parece más grande que otras galaxias: vista a simple vista, Andrómeda será unas seis veces más ancha que la Luna (unos 3 grados). Incluso con un campo de visión más amplio que el del Hubble, Spitzer tuvo que tomar 11.000 imágenes para crear una imagen completa de Andrómeda.
JPL gestionó la misión del Telescopio Espacial Spitzer para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en Washington hasta que la misión fue cancelada en enero de 2020. Las operaciones científicas se llevaron a cabo en el Centro de Ciencias Spitzer de Caltech. Las operaciones de la nave espacial se basaron en Lockheed Martin Space en Littleton, Colorado. Los datos están archivados en el Archivo Científico Infrarrojo, administrado por IPAC en Caltech. Caltech opera JPL para la NASA.
Un nuevo estudio de un tipo de galaxia raro y de vida corta ha descubierto que algunos objetos albergan agujeros negros supermasivos inactivos que se despiertan brevemente para destrozar una estrella masiva y consumir sus restos, convirtiéndolos en un desayuno cósmico gigante.
Los “objetos simétricos compactos” u CSO son galaxias activas que emiten dos chorros de luz a una velocidad cercana a la de la luz. Estos chorros son típicos de los núcleos galácticos activos (AGN), que tienen agujeros negros supermasivos en sus centros que se alimentan del gas y polvo circundantes, pero los chorros CSO son diferentes, informa The Astrophysical Journal.
Esta imagen de radio muestra dos chorros expulsados desde el centro de Cygnus A, una galaxia situada cerca de la nuestra. Un nuevo artículo informa sobre el descubrimiento de un objeto similar en una galaxia antigua mucho más distante. Esta galaxia tiene un chorro brillante y relativista que emana de su agujero negro supermasivo central apuntando a la Tierra, lo que la convierte en un blazar. NRAO
Mientras que los chorros de los núcleos galácticos activos pueden extenderse 230.000 años luz en ambas direcciones, los chorros de CSO son pequeños y se extienden sólo 1.500 años luz aproximadamente.
Los científicos teorizaron anteriormente que los jets CSO son cortos porque están recién formados o son jóvenes. Ahora, un equipo dirigido por científicos del Instituto Tecnológico de California (Caltech) ha determinado que estos jets simplemente tienen una vida útil corta.
“Estas OSC no son jóvenes. No llamarías joven a un perro de 12 años, incluso si viviera menos que un humano adulto”, dijo en un comunicado el líder del equipo de investigación Anthony Readhead, profesor emérito de astronomía en el Instituto de Tecnología de California. “Estos objetos representan una especie distinta que vive y muere a lo largo de miles de años, en lugar de millones de años, como suele ser el caso en las galaxias con chorros más grandes”.
Imagen VLBA de dos agujeros negros supermasivos, uno de los cuales es un objeto compacto simétrico (CSO) J0405+3803a, engullendo una estrella. HL Maness/Grinnell College
Para desentrañar el misterio de las CSO y revelar su verdadera naturaleza, Readhead y sus colegas pasaron dos años estudiando 3.000 candidatas a CSO en literatura previa y datos astronómicos obtenidos del Very Long Baseline Array (VLBA) y otros radiotelescopios de alta resolución.
“Las observaciones del VLBA son las más detalladas en astronomía y proporcionan imágenes con un detalle equivalente a medir el ancho de un cabello humano a una distancia de 160 kilómetros [100 millas]”, dijo Reedhead.
El equipo confirmó que 64 de estos candidatos son CSO y también descubrió 15 galaxias raras más. Al analizar estas CSO, el equipo concluyó que estos raros tipos de galaxias emiten chorros durante sólo 5.000 años o menos y luego desaparecen.
Impresión artística de una estrella (primer plano) que se destruye al pasar cerca de un agujero negro supermasivo. ESO/M. Kornmesser
“Los aviones CSO son aviones muy energéticos, pero parecen estar apagándose”, dijo el miembro del equipo Vikram Ravi, profesor asistente en Caltech. “Los arroyos dejan de fluir desde la fuente”.
El equipo ha identificado un sospechoso detrás de los chorros: sugieren que en el corazón de las CSO hay agujeros negros supermasivos que destrozan las estrellas que se acercan demasiado a ellos en los llamados eventos de perturbación de mareas (TDE).
Cuando las estrellas se acercan demasiado a un agujero negro, su enorme gravedad crea poderosas fuerzas de marea dentro del cuerpo estelar. Estas fuerzas de marea estiran la estrella verticalmente y al mismo tiempo la comprimen horizontalmente, un proceso llamado “espaguetificación”.
Un agujero negro supermasivo destroza y devora una estrella. Recuadro: Una imagen del Very Long Baseline Array muestra dos agujeros negros supermasivos en el centro de las galaxias; el de la derecha acaba de devorar una estrella. ESA/C. Carreau. Insertar: H.L. MANESS/GRINNELL COLLEGE
Este fideo estelar se envuelve para formar un disco de materia que es devorado gradualmente por el agujero negro supermasivo. Pero los agujeros negros comen desordenadamente y parte de esta materia estelar se canaliza hacia los polos de estos monstruos cósmicos. Desde allí, parte del material se expulsa en forma de chorros. Este proceso de TDE va acompañado de ráfagas de luz increíblemente brillantes que informan a los astrónomos sobre estos agujeros negros supermasivos que los alimentan.
“Creemos que una estrella se está desgarrando y luego toda esa energía se dirige hacia chorros a lo largo del eje alrededor del cual gira el agujero negro”, explicó Reedhead. “El agujero negro gigante es invisible para nosotros al principio, y luego, cuando se traga la estrella, ¡bam! El agujero negro tiene combustible y podemos verlo”.
Sin embargo, no todas las estrellas pueden ser el tipo de alimento espacial sucio que despierta un agujero negro como CSO. El equipo cree que la CSO sólo se crea cuando una estrella verdaderamente masiva es destrozada por un agujero negro supermasivo en el TDE.
“Las TDE que vimos anteriormente sólo duraron unos pocos años”, explicó Ravi. “Creemos que las notables TDE que alimentan a las CSO duran mucho más porque las estrellas destruidas son muy grandes, muy masivas o ambas cosas”.
Reedhead y sus colegas también pudieron crear un “álbum familiar cósmico” que muestra cómo las CSO y sus aviones han evolucionado con el tiempo. Las CSO más jóvenes tienen chorros más cortos y están más cerca del agujero negro supermasivo central, mientras que las CSO más antiguas tienen chorros más largos y se extienden más lejos del sitio TDE.
El equipo determinó que si bien la gran mayoría de las CSO se extinguirán, el 1% de ellas sufrirán eventos duraderos con chorros extendidos similares a los observados en Cygnus A, un distante agujero negro supermasivo cuyos chorros se dirigen hacia la Tierra ( una clase de objetos llamados blazares).
Los investigadores estiman que en 1 de cada 100 eventos de larga duración, el agujero negro central se alimenta de gas y polvo adicionales resultantes de la fusión de su galaxia madre con otra.
Para Reedhead, estos resultados respaldan una teoría que propuso por primera vez en la década de 1990, cuando sólo se descubrieron tres OSC. Esta idea pasó en gran medida desapercibida por la comunidad científica en general cuando se propuso por primera vez, pero debería ganar apoyo con esta nueva evidencia.
“Esta hipótesis casi fue olvidada porque pasaron años antes de que comenzaran a acumularse evidencias observacionales a favor del TDE”, dijo Readhead. “Estos objetos realmente representan una población distinta con sus propios orígenes, y ahora tenemos que aprender más sobre ellos y cómo surgieron”.
“La capacidad de estudiar estos objetos en escalas de tiempo de años a décadas en lugar de millones de años ha abierto la puerta a un laboratorio completamente nuevo para estudiar los agujeros negros supermasivos y las muchas sorpresas inesperadas e impredecibles que contienen”.