Una ilustración muestra el agujero negro de V404 Cygni alimentándose de una víctima estelar mientras una estrella más cautelosa del sistema mantiene las distancias(Crédito de la imagen: NASA)
Los astrónomos han descubierto el primer sistema de «triple agujero negro», consistente en un agujero negro que se alimenta hambriento de una estrella compañera mientras es orbitado por una estrella más distante y cautelosa.
Los agujeros negros se forman durante la muerte violenta de estrellas masivas en explosiones de supernova, pero este sorprendente descubrimiento podría indicar un proceso de nacimiento de agujeros negros más suave llamado «colapso directo.» Esto se debe a que si el origen de este agujero negro hubiera sido más violento, habría proporcionado una «patada prenatal» que habría lanzado a la estrella distante poco unida fuera de este sistema estelar triple.
El sistema en cuestión es V404 Cygni, situado dentro de la Vía Láctea y a unos 8.000 años-luz de la Tierra. El llamado «binario de rayos X» del agujero negro y su estrella víctima ya se conocía con anterioridad, y el sistema ha sido bien estudiado. Sin embargo, una investigación más profunda realizada por un equipo dirigido por Kevin Burdge, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), reveló que esta binaria se encuentra en realidad en el corazón de un sistema estelar triple.
Los científicos piensan que la mayoría de los agujeros negros se forman a partir de explosiones violentas de estrellas, pero este descubrimiento ayuda a ponerlo en duda.
«Este sistema es súper emocionante para la evolución de los agujeros negros, y también plantea preguntas sobre si hay más triples por ahí», dijo Burdge a universeexpedition.com por correo electrónico. «El hecho de que esta estrella todavía esté ligada es sorprendente porque implica que recibió una patada natal de baja energía. «En general, no es sorprendente que los agujeros negros estén en triples porque una gran fracción de estrellas masivas están en triples, pero lo que es sorprendente es que este sistema se aferró al triple después de formar el agujero negro.»
El equipo ha descubierto que, mientras que la «estrella víctima» de este agujero negro lo orbita en tan solo 6,5 días terrestres, la tercera estrella recién descubierta del sistema orbita al codicioso titán cósmico tan lejos que solo completa una órbita una vez cada 70.000 años terrestres.
«¡Este descubrimiento fue un feliz accidente, en realidad! Estaba mirando una foto de V404 Cygni y me di cuenta de que estaba en un triple», dijo Burdge. «Lo que descubrimos entonces es que el agujero negro de V404 Cygni probablemente nació sin una patada natal.
«Eso no significa que todos los agujeros negros no reciban patadas natales, pero demuestra que al menos algunos pueden formarse sin ellas.»
La investigación del equipo se publicó el miércoles (23 de octubre) en la revista Nature.
Un agujero negro bien conocido aún esconde secretos
Los astrónomos conocen desde hace siglos las supernovas que acompañan la muerte de una estrella masiva después de que se haya quedado sin combustible nuclear en su núcleo y ya no pueda sostenerse contra su propia gravedad.
Cuando la teoría de la relatividad general de Einstein puso a los científicos en el camino que llevó al descubrimiento de los agujeros negros y las estrellas de neutrones, estas brillantes y violentas explosiones cósmicas se relacionaron rápidamente con el proceso de alumbramiento de estos ultradensos cadáveres estelares.
La potencia de estos fenómenos hace que a menudo sean más brillantes que la luz combinada de todas las estrellas de la galaxia que los rodea. Además, cuando estallan, aportan energía a las estrellas en órbita.
«Las patadas prenatales son el impulso neto que recibe el agujero negro tras su nacimiento. Así, por ejemplo, si se produce una supernova y la materia se expulsa de forma asimétrica, para conservar el impulso, el agujero negro recibe una patada en la dirección opuesta a la de la materia», explica Burdge. «Es realmente difícil restringir estas patadas prenatales en parte porque tenemos muy pocos agujeros negros conocidos en la Vía Láctea, y también, porque no hay muchas buenas maneras de medirlas aparte de a través de una amplia triple compañera como la que se ve en este sistema».
Una ilustración del agujero negro binario de rayos X V404 Cygni que ahora se ha descubierto que es el corazón de un sistema estelar triple. (Crédito de la imagen: Jorge Lugo)
Una estrella cercana fuertemente ligada gravitatoriamente al nuevo agujero negro podría sobrevivir a la energía que recibe de esta explosión de supernova y permanecer en el sistema. Sin embargo, la fuerza de la gravedad disminuye rápidamente a grandes distancias, lo que significa que cualquier estrella lejana que no esté fuertemente sujeta por el agujero negro debería ser expulsada para vagar por el cosmos como una «estrella rebelde».
«Imagina que tiras de una cometa y, en lugar de una cuerda fuerte, lo haces con una tela de araña», explica Burdge en un comunicado del MIT. «Si tiraras demasiado fuerte, la tela se rompería y perderías la cometa. La gravedad es como esta cuerda apenas unida que es realmente débil, y si haces algo dramático a la binaria interior, vas a perder la estrella exterior.»
Entonces, ¿por qué no sucedió eso en este triple agujero negro?
Three’s not a crowd for this black hole
Antes de responder a esta pregunta, el equipo tuvo que confirmar que esta estrella lejana está orbitando la binaria interior de V404 Cygni. Para ello utilizaron 10 años de observaciones del telescopio espacial Gaia, una nave espacial que monitoriza con precisión el movimiento de miles de millones de estrellas en la Vía Láctea.
El equipo descubrió que, efectivamente, las estrellas se mueven en tándem, descubriendo que las probabilidades de que este tipo de movimiento resulte de que las estrellas no compartan el mismo sistema son de aproximadamente una entre 10 millones. También determinaron que la estrella exterior está 3.500 veces más lejos del agujero negro central que la Tierra de nuestro Sol.
«El hecho de que podamos ver dos estrellas separadas a tanta distancia en realidad significa que las estrellas tienen que estar realmente muy separadas», dijo Burdge en el comunicado. «Es casi seguro que no es una coincidencia o un accidente. Estamos viendo dos estrellas que se siguen la una a la otra porque están unidas por esta débil cadena de gravedad. Así que esto tiene que ser un sistema triple».
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Para determinar por qué la estrella exterior de este sistema no había sido expulsada al espacio, Burdge realizó una serie de simulaciones para ver cómo un sistema triple de agujeros negros de este tipo podría haber evolucionado hasta su estado actual y seguir conservando su estrella exterior.
Cada simulación comenzó con tres estrellas, una de las cuales se transformó en un agujero negro. Se introduce una explosión de supernova en las simulaciones, que Burdge realizó decenas de miles de veces, variando la cantidad de energía liberada y la dirección en la que se liberaba la energía. Pocas de estas simulaciones dieron como resultado un sistema triple de agujeros negros.
En su mayor parte, las únicas simulaciones que replicaron las observaciones del equipo sobre este sistema fueron las que eliminaron una explosión de supernova y vieron el agujero negro creado por colapso directo.
«La gran mayoría de las simulaciones muestran que la forma más fácil de hacer que este triple funcione es mediante el colapso directo», dijo Burdge.
Descubrir que esta estrella exterior está vinculada a V404 Cygni también ha ayudado al equipo a determinar la edad del sistema triple de agujeros negros. Esto se debe a que la estrella distante está en proceso de transformarse en una estrella gigante roja, algo que ocurre cuando las estrellas salen de su fase de secuencia principal y se hinchan hasta alcanzar 100 veces su anchura original.
El tercer cuerpo es bastante interesante. Además de su órbita superancha, resulta que la estrella está evolucionando hacia una gigante roja en este momento, lo que nos permite conocer la edad del sistema», explica Burdge por correo electrónico.
El equipo determinó a partir de esta transformación que la estrella exterior tiene unos 4.000 millones de años y concluyó que todo el sistema comparte su edad. Es la primera vez que los científicos realizan un proceso de envejecimiento de este tipo.
«Nunca antes habíamos podido hacer esto con un agujero negro antiguo», dijo Burdge. «Ahora sabemos que V404 Cygni forma parte de un triple; podría haberse formado por colapso directo, y se formó hace unos 4.000 millones de años, gracias a este descubrimiento».
El equipo aún tiene preguntas sobre la naturaleza de este sistema, que investigará además de buscar más triples de agujeros negros. «Una de las mayores preguntas es cómo es la órbita del compañero exterior: ¿es circular o excéntrica? Intentaremos medirlo utilizando un instrumento llamado GRAVITY en el Very Large Telescope (VLT) europeo», concluye Burdge en su correo electrónico. «Por ahora, es el único triple agujero negro conocido, ¡pero estamos llevando a cabo una campaña en curso para encontrar más de ellos!».
