Este nuevo agujero negro podría ser el más cercano a la Tierra

¿Cómo de pequeño puede ser un agujero negro? Durante décadas, los astrónomos han trabajado para responder a esta pregunta midiendo los agujeros negros en nuestro rincón del universo.

Hemos descubierto muchos de tamaño tanto mediano como grande, entre ellos un monstruo supermasivo en el corazón de nuestra galaxia. Pero, hasta hace poco, no se habían detectado señales de los pequeños, todo un misterio para la astrofísica.

Ahora, un equipo de astrónomos ha descubierto un agujero negro que tiene solo tres veces la masa del Sol, lo que lo convierte en uno de los más pequeños hallado hasta la fecha y, además, es el agujero negro más cercano a la Tierra que se ha identificado, a solo 1500 años luz.

El descubrimiento «significa que hay muchos más [agujeros negros pequeños] que podríamos encontrar si aumentáramos el volumen de espacio en que buscamos», afirma Tharindu Jayasinghe, astrónomo de la Universidad Estatal de Ohio y autor principal del nuevo artículo que describe el hallazgo en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. El descubrimiento «debería generar impulso para descubrir estos sistemas».

Jayasinghe y sus colegas han llamado el objeto el «unicornio», en parte porque es único y en parte porque lo descubrieron en la constelación Monoceros, nombre otorgado por los antiguos astrónomos griegos y que significa unicornio. Estudiando este unicornio y otros objetos similares, los investigadores esperan conocer mejor qué les pasa a las estrellas en los momentos finales de sus vidas y por qué algunas de ellas colapsan y se convierten en agujeros negros mientras que otras dejan densas cáscaras estelares llamadas estrellas de neutrones.

En busca de lo invisible

Como la luz no puede salir de un agujero negro, solo pueden detectarse de forma indirecta. La mayoría de los agujeros negros conocidos se han descubierto buscando los rayos X emitidos cuando el objeto invisible tira del material de una estrella complementaria que orbita con él. A medida que ese material se calienta en un anillo denso alrededor del agujero negro, conocido como disco de acreción, emite radiación que puede detectarse con telescopios de rayos X.

Sin embargo, el unicornio se descubrió con un método distinto. El equipo de Jayasinghe empleó datos de varios observatorios para medir los cambios periódicos en el brillo y el espectro de luz procedente de una gigante roja conocida como V723 Mon. Este tipo de observaciones se han utilizado durante décadas para buscar exoplanetas, que pueden ser muy difíciles de avistar de forma directa.

El equipo dedujo que un objeto complementario invisible tiraba de la gigante roja, distorsionándola en forma de gota. Los datos revelan la masa combinada de ambos objetos y si la estrella es más pesada de lo que calcula el equipo, es posible que el objeto invisible sea una estrella de neutrones. Pero el equipo cree que lo más probable es que se trate de un agujero negro pequeño.

Aunque el unicornio está cambiando la forma de la gigante roja, no extrae material de ella. Esto quiere decir que no hay disco de acreción y, por consiguiente, no hay rayos X, por eso ha pasado desapercibido hasta ahora. Esta ausencia de emisiones de rayos X en estos agujeros negros «silenciosos» podría explicar por qué hasta ahora se han descubierto muy pocos pequeños.

Los agujeros negros con más de cinco veces la masa del Sol parecen ser abundantes, pero por debajo de esa cifra, parece que escasean. Los astrónomos se refieren a la falta enigmática de agujeros negros pequeños como «brecha de masa».

Llenando la brecha de masa

Antes del descubrimiento del unicornio, se habían propuesto varios candidatos de agujeros negros dentro de la brecha de masa. En 2019, el mismo equipo anunció que había descubierto un objeto oscuro orbitando una estrella gigante. Sin embargo, sus cálculos de la masa del objeto eran menos precisos y solo pudieron concluir que era bien un agujero negro, bien «una estrella de neutrones inesperadamente masiva».

El año pasado, otro equipo de astrónomos descubrió el que consideran un sistema triple, a unos 1100 años luz de la Tierra, que contenía un agujero negro de casi cuatro masas solares orbitando dos estrellas. Si el sistema realmente contiene un agujero negro, sería el más cercano a la Tierra que se ha identificado, pero otras investigaciones han arrojado dudas sobre este hallazgo.

Han llegado otros resultados tentadores de detectores de ondas gravitacionales como el Observatorio de ondas gravitacionales por interferometría láser o LIGO, por sus siglas en inglés. En 2019, los astrónomos observaron una fuente de ondas gravitacionales conocida como GW190814, provocada por la colisión de dos objetos. Uno pesaba solo 2,6 masas solares, lo que significa que era o una estrella de neutrones extremadamente pesada o el agujero negro más ligero que se conoce. Asimismo, se cree que la fusión de dos estrellas de neutrones, observada como un evento de ondas gravitacionales en 2017, ha creado un agujero negro de aproximadamente 2,8 masas solares.

Por desgracia, los objetos detectados mediante ondas gravitacionales son difíciles de estudiar a largo plazo. Suelen estar muy lejos de nuestra galaxia, lo que quiere decir que los astrónomos solo los identifican cuando emiten una breve ráfaga de ondas gravitacionales. Después, desaparecen.

Por su parte, el unicornio se encuentra en nuestro barrio galáctico y podrá estudiarse durante los próximos años. «El hecho de que el objeto complementario sea una gigante roja y que esté cerca hace que la observación sea más exacta y fiable», afirma Vicky Kalogera, astrónoma de la Universidad Northwestern que no participó en la nueva investigación.

Colapso en el espacio-tiempo

Los astrónomos esperan que el unicornio y otros objetos similares arrojen luz sobre la física que rige la formación de agujeros negros y estrellas de neutrones. Ambos objetos se forman cuando una estrella alcanza el final de su vida y agota su suministro de combustible nuclear. Pero el destino que aguarda a cada estrella individual depende de su masa.

Si la estrella es un poco más grande que nuestro Sol, explota en una supernova. La gravedad comprime los restos de la estrella y forma una estrella de neutrones, un objeto tan denso que el material está tan unido como un núcleo atómico.

Si el objeto es mucho más pesado, entonces colapsa bajo la fuerza de la gravedad y crea un agujero negro. Aunque la estrella haya vivido durante 10 millones de años, ese desenlace se produce a una velocidad increíble.

«En un periodo de uno a cinco segundos, la estrella decide si va a explotar como supernova o producir una estrella de neutrones, o si va a colapsar y formar un agujero negro», explica Todd Thompson, astrónomo de la Universidad Estatal de Ohio y coautor del artículo sobre el unicornio. «O puede haber un caso intermedio en el que explota un poquito, pero aún tiene material y produce un agujero negro. Todo se decide en muy poco tiempo».

Para los investigadores, uno de los dilemas es que es imposible estudiar la física pertinente de forma directa. «Todavía no entendemos del todo cómo se comporta la materia en densidades nucleares», afirma Kalogera. «Ese es el reto de la astronomía. No podemos imitar esas densidades en el laboratorio».

Los agujeros negros más pequeños, como el unicornio, podrían ayudar a los científicos a unir las piezas de este puzle cósmico.

Podría crearse un panorama más completo cuando se publiquen más datos de la sonda Gaia de la Agencia Espacial Europea, diseñada para cartografiar las posiciones de las estrellas en el cielo con una precisión increíble, lo que quizá revele más agujeros negros pequeños tirando de sus estrellas.

Los astrónomos también aguardan con ansias la próxima publicación de datos de la Sloan Digital Sky Survey, que utiliza un telescopio en Nuevo México para proporcionar imágenes detalladas de millones de objetos celestes y podría revelar el movimiento de las estrellas cuando responden a objetos complementarios invisibles. El Observatorio Vera C. Rubin, que está construyéndose en Chile, también podría descubrir agujeros negros pequeños.

A medida que disponen de más datos, los astrónomos esperan saber si la escasez de agujeros negros pequeños apunta a un nuevo aspecto de la física estelar o si los agujeros negros pequeños están salpicados por la galaxia y no los hemos contado porque no habíamos desarrollado los métodos para detectarlos.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.