Astrónomos captan el momento justo en el que una estrella se convierte en agujero negro

Mientras los dinosaurios recorrían la antigua Tierra hace más de 200 millones de años, una gigantesca estrella se encontraba en sus últimos estertores. La explosión cósmica resultante fue tan insólita que dejó a los astrónomos desconcertados cuando su brillo alcanzó nuestro planeta el pasado junio.

Ahora, podría haberse desentrañado la historia del origen de este misterioso destello. Basándose en las últimas observaciones de la extraña supernova, conocida como «la Vaca», un equipo de 45 astrónomos sostiene que podría representar la primera ocasión en que los humanos han captado el momento exacto en que una estrella moribunda produce un agujero negro.

«Es la meta que llevamos años esperando», afirma la líder del equipo Raffaella Margutti, astrofísica de la Universidad Northwestern. Margutti y sus colegas presentaron su investigación esta semana en la asamblea anual de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Seattle, Washington, y pronto publicarán sus hallazgos en la Astrophysical Journal.

Los datos del equipo, obtenidos en varias longitudes de onda de luz, podrían implicar que una estrella masiva colapsó y formó una estrella de neutrones, una especie de cadáver estelar denso. Otros equipos que estudian la Vaca han propuesto explicaciones alternativas a su comportamiento inusual. ¿Qué sabemos sobre la Vaca y por qué ha sido tan difícil describirla para los astrónomos? Sigue leyendo:

¿Dónde está la Vaca y por qué se llama así?

La Vaca explotó a las afueras de CGCG 137-068, una galaxia espiral enana a unos 200 millones de años luz de la Tierra. Se llama «la Vaca» por su nombre formal generado automáticamente, AT2018cow (cow significa vaca en inglés). Un equipo de astrónomos que empleaba los telescopios ATLAS de Hawái la observaron el 16 de junio de 2018 y señalaron el objeto a sus astrónomos el 17 de junio, lo que provocó un torrente de observaciones por telescopio de la explosión.

¿Por qué es tan inusual?

La Vaca no es el primer destello de este tipo observado en el firmamento, pero sí es el más cercano detectado hasta la fecha, lo que otorga a los investigadores una oportunidad sin precedentes de ver una con todo lujo de detalle. Además, su brillo aumentó mucho y muy rápidamente. En el pico de la Vaca, era decenas de veces más luminosa en rayos X que las explosiones estelares normales, denominadas supernovas. La Vaca alcanzó su pico de brillo en pocos días, algo que las supernovas normales tardan semanas en lograr.

Es más, la fuente de energía de la Vaca no resultó obvia de inmediato. Normalmente, las supernovas obtienen su brío explosivo del níquel-56, un isótopo radiactivo almacenado en sus entrañas. Pero cuando los astrónomos calcularon cuántos restos había expulsado la Vaca, descubrieron una cantidad sorprendentemente baja de desechos totales expulsados, quizá una décima parte de la masa de nuestro sol, como mucho. Es raro, porque las supernovas suelen expulsar desechos que equivalen a decenas de soles.

Aunque los desechos de la Vaca fueran solo níquel-56, no sería combustible suficiente para alimentar la explosión observada. Es más, los desechos contenían hidrógeno y helio, algo que los astrónomos no esperaban encontrar: las estrellas que explotan y forman supernovas ya deberían haber quemado esos elementos como combustible nuclear.

La Vaca también emitía radiación de formas insólitas. Por ejemplo, el equipo de Margutti pidió apuntar hacia el objeto el telescopio NuSTAR de rayos X de la NASA. Los datos mostraban que, algo más de una semana después de su primera aparición, la Vaca aumentó inesperadamente su brillo en rayos X de alta energía. «La primera reacción al obtener los datos fue que quizá hubiéramos hecho algo mal», afirma Margutti.

¿Conocemos la causa de la Vaca?

El consenso actual es que en el centro de la Vaca hay un «motor central» compacto que expulsa esos rayos X de alta energía. Este objeto, sea lo que sea, está envuelto en una burbuja asimétrica de material expulsado por algún tipo de explosión.

«Una de las bromas es que nosotros [los físicos] siempre presentamos las cosas en forma de vacas esféricas y estaba claro que esto era una vaca esférica», explica el coautor del estudio Brian Metzger, físico de la Universidad de Columbia. «Es complicado explicarlo como fenómeno esférico, porque si la fuente de rayos X alimenta la radiación óptica, entonces ¿cómo llegan hasta nosotros los rayos X?».

En el modelo elaborado por el equipo de Margutti, los desechos que volaban desde los polos del objeto se desplazaban a más velocidad —y se vuelven transparentes antes— que las nubes alrededor del ecuador del objeto. Estas nubes ecuatoriales absorbían los rayos X de alta energía del motor, lo que hacía que las nubes se calentasen y generaran la luz visible de la Vaca. Pero parte de los rayos X de alta energía aún podían filtrarse desde los polos de la Vaca, más transparentes.

Por su parte, las señales de radio de la Vaca muestran que se comportó como un elefante en una cacharrería. Cuando la Vaca explotó, parte de los desechos del objeto fueron expulsados hacia el exterior a más de 29.000 kilómetros por segundo, o hasta una décima parte de la velocidad de la luz. Los materiales más rápidos parecen haberse estrellado en un halo de partículas denso que rodeaba la Vaca, calentando este halo y generando las emisiones de radio del objeto.

¿Qué es el «motor central» de la Vaca?

El equipo de Margutti cree que hay dos opciones principales. La Vaca podría ser una estrella de neutrones muy magnetizada que rota casi mil veces por segundo. La otra posibilidad es que el objeto hubiera aparecido cuando un tipo de estrella gigantesca y muy caliente denominada supergigante azul sufrió una explosión fallida y se convirtió en un agujero negro.

En este caso, la mayor parte del interior de la estrella habría colapsado y formado un agujero negro, pero las capas exteriores de la estrella no habrían sufrido ese colapso al principio. Conforme el agujero negro interior se aceleraba, habría perdido masa en forma de un enjambre de partículas denominadas neutrinos. La salida de los neutrinos del centro de la estrella habría expulsado parte del material exterior antes de que el agujero negro hubiera podido tragárselo y los desechos pronto se habrían acumulado en un disco alrededor del agujero negro recién nacido.

¿Hay otras ideas de qué podría ser la Vaca?

Margutti y sus colegas no son los únicos que proponen que la Vaca tiene un motor central. En otro estudio aceptado por la revista Astrophysical Journal, un equipo diferente dirigido por la astrónoma de Caltech Anna Y. Q. Ho llega a conclusiones similares.

Pero Daniel Perley, astrofísico de la Universidad John Moores, en Liverpool, sugiere en su propio estudio que la Vaca podría haber aparecido cuando un agujero negro relativamente masivo y ya existente devoró una estrella similar a nuestro sol, un fenómeno conocido como disrupción de marea. Mientras la inmensa gravedad del agujero negro despedazaba la estrella, sus gases podrían haberse acumulado por acreción alrededor del agujero negro, formando un disco y creando el insólito brillo de la Vaca en el proceso.

La cuestión es si tiene sentido que un agujero negro de ese tamaño esté colgando en las afueras de una galaxia, en un área que debería ser densa por el gas, según las señales de radio de la Vaca. La teoría actual sostiene que los agujeros negros de ese calibre deberían formarse en cúmulos estelares, donde hay un gran exceso de gas.

Margutti sostiene que el entorno de la Vaca tendría mucho más sentido si la niebla que la rodea fuera material expulsado por una estrella gigantesca, una que podría colapsar y convertirse en estrella de neutrones o agujero negro. Pero Perley señala que todavía no hemos descubierto ni estudiado ningún agujero negro de la masa que propone este equipo, de forma que no podemos estar seguros de que esta teoría coincida con la realidad.

«El equipo [de Margutti] está formado por unos de los principales expertos en supernovas, pero me gustaría que los expertos en disrupciones de marea intervinieran para ver si pueden hallar una forma de que funcione», afirma Perley.

Y ahora ¿qué?

Las observaciones a largo plazo de la Vaca podrían ayudar a desentrañar la identidad de su motor central. Metzger afirma que, si en en núcleo de la Vaca hay una estrella de neutrones magnetizada, esta podría emitir destellos de rayos X en los próximos años. Sin embargo, un agujero negro no podría destellear de esta manera.

Pero la forma más fructífera de obtener más información sobre la Vaca es descubrir más objetos como ella. Recientemente, los astrónomos han adquirido la capacidad de avistar dichos destellos de luz e investigarlos en tiempo real, conforme se conectan más telescopios robóticos y reconocimientos a gran escala.

«Estos reconocimientos del firmamento son casi como rodar películas... Es un momento emocionante», afirma Metzger. «No solo observamos el universo como algo estático, sino como algo que puede ser muy activo, incluso en escalas temporales de pocos días».

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