La órbita de una estrella similar al Sol revela el agujero negro más cercano jamás encontrado

En 1916, Karl Schwarzchild teorizó sobre la existencia de agujeros negros como una resolución de las ecuaciones de campo de Einstein para su Teoría de la Relatividad General.

A mediados del siglo XX, los astrónomos comenzaron a detectar agujeros negros por primera vez utilizando métodos indirectos, que consistían en observar sus efectos en los objetos y el espacio circundantes.

Desde la década de 1980, los científicos han estudiado los agujeros negros supermasivos (SMBH), que residen en el centro de la mayoría de las galaxias masivas del Universo. Y en abril de 2019, la colaboración Event Horizon Telescope (EHT) lanzó la primera imagen jamás tomada de un SMBH.

Estas observaciones son una oportunidad para probar las leyes de la física en las condiciones más extremas y ofrecen información sobre las fuerzas que dieron forma al Universo.

Según un estudio reciente, un equipo de investigación internacional se basó en datos del Observatorio Gaia de la ESA para observar una estrella similar al Sol con extrañas características orbitales. Debido a la naturaleza de su órbita, el equipo concluyó que debe ser parte de un sistema binario de agujeros negros.

Esto lo convierte en el agujero negro más cercano a nuestro Sistema Solar e implica la existencia de una población considerable de agujeros negros inactivos en nuestra galaxia.

La investigación fue dirigida por Kareem El-Badry, astrofísico miembro de la Sociedad de Harvard en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA) y el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA).

A él se unieron investigadores de CfA, MPIA, Caltech, UC Berkeley, el Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron, el Instituto de Ciencias Weizmann, el Observatorio de París, el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT y varias universidades.

El artículo que describe sus hallazgos se publicará en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Como explicó El-Badry a Universe Today por correo electrónico, estas observaciones formaban parte de una campaña más amplia para identificar a los agujeros negros inactivos que acompañan a las estrellas normales en la galaxia de la Vía Láctea.

«He estado buscando agujeros negros inactivos durante los últimos cuatro años utilizando una amplia gama de conjuntos de datos y métodos«, dijo. «Mis intentos anteriores arrojaron una colección diversa de binarios que se hacen pasar por agujeros negros, pero esta fue la primera vez que la búsqueda dio sus frutos«.

Por el bien de este estudio, El-Badry y sus colegas se basaron en los datos obtenidos por el Observatorio Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA). Esta misión ha pasado casi una década midiendo las posiciones, distancias y movimientos propios de casi mil millones de objetos astronómicos, como estrellas, planetas, cometas, asteroides y galaxias.

Mediante el seguimiento del movimiento de los objetos a medida que orbitan el centro de la Vía Láctea (una técnica conocida como astrometría), la misión Gaia tiene como objetivo construir el catálogo espacial en 3D más preciso jamás creado.

Para sus propósitos, El-Badry y sus colegas examinaron las 168.065 estrellas del Gaia Data Release 3 (GDR3) que parecían tener órbitas de dos cuerpos.

Su análisis encontró un candidato particularmente prometedor, un tipo G (estrella amarilla) denominado Gaia DR3 4373465352415301632; para sus propósitos, el equipo lo denominó Gaia BH1. Basándose en su solución orbital observada, El-Badry y sus colegas determinaron que esta estrella debe tener un compañero binario de agujero negro.

Dijo El-Badry: «Los datos de Gaia restringen la forma en que la estrella se mueve en el cielo, trazando una elipse mientras orbita el agujero negro. El tamaño de la órbita y su período nos dan una restricción sobre la masa de su compañero invisible: aproximadamente 10 masas solares«.

«Para confirmar que la solución de Gaia es correcta y descartar alternativas que no sean agujeros negros, observamos la estrella espectroscópicamente con varios otros telescopios. Esto reforzó nuestras restricciones sobre la masa de la compañera y demostró que es realmente ‘oscura‘».

Para confirmar sus observaciones, el equipo analizó las mediciones de velocidad radial de Gaia BH1 desde múltiples telescopios.

Esto incluyó el espectrómetro Echelle de alta resolución (HIRES) del Observatorio W. M. Keck, el espectrógrafo óptico de rango extendido alimentado por fibra (FEROS) del telescopio MPG/ESO, el espectrógrafo X-Shooter del Very Large Telescope (VLT), los espectrógrafos multiobjeto Gemini (GMOS), el espectrógrafo Magellan Echellette (MagE) y el telescopio espectroscópico de fibra multiobjeto de área de cielo grande (LAMOST).

De forma similar al método utilizado para la caza de exoplanetas (espectroscopia Doppler), los espectros proporcionados por estos instrumentos permitieron al equipo observar y medir las fuerzas gravitatorias que influyen en su órbita. Estas observaciones de seguimiento confirmaron la solución orbital de Gaia BH1 y que un compañero de aproximadamente 10 masas solares estaba en órbita conjunta con él.

Como indicó El-Badry, estos hallazgos podrían constituir el primer agujero negro en la Vía Láctea que no se observó en función de sus emisiones de rayos X u otras liberaciones energéticas:

«Los modelos predicen que la Vía Láctea contiene alrededor de 100 millones de agujeros negros. Pero solo hemos observado unos 20 de ellos. Todos los anteriores que hemos observado están en ‘binarios de rayos X’: el agujero negro se está comiendo una estrella compañera, y brilla intensamente en rayos X a medida que la energía potencial gravitatoria de ese material se convierte en luz«.

«Pero esto solo representa la punta del iceberg: una población mucho más grande puede estar al acecho, escondida en binarios más ampliamente separados. El descubrimiento de Gaia BH1 arroja luz sobre esta población«.

Si se confirma, estos hallazgos podrían significar que hay una población robusta de agujeros negros inactivos en la Vía Láctea. Esto se refiere a agujeros negros que no son evidentes a partir de discos brillantes, ráfagas de radiación o chorros de hipervelocidad que emanan de sus polos (como suele ser el caso de los cuásares).

Si estos objetos son ubicuos en nuestra galaxia, las implicaciones para la evolución estelar y galáctica podrían ser profundas. Sin embargo, es posible que este agujero negro inactivo en particular sea un valor atípico y no indicativo de una población más grande.

Para verificar sus hallazgos, El-Badry y sus colegas esperan con ansias el Gaia Data Release 4 (GDR 4), cuya fecha aún está por determinarse, que incluirá todos los datos recopilados durante la misión nominal de cinco años (GDR 4 ).

Esta versión incluirá los catálogos astrométricos, fotométricos y de velocidad radial más actualizados para todas las estrellas, binarias, galaxias y exoplanetas observados.

La quinta y última versión (GDR 5) incluirá datos de la misión nominal y extendida (los 10 años completos).

«Basándonos en la tasa de ocurrencia de compañeros de BH implícita en Gaia BH1, estimamos que la próxima publicación de datos de Gaia permitirá el descubrimiento de docenas de sistemas similares«, dijo El-Badry.

«Con solo un objeto, es difícil saber exactamente lo que implica sobre la población (podría ser simplemente un bicho raro, una casualidad). Estamos entusiasmados con los estudios demográficos de población que podremos hacer con muestras más grandes«.

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