Ilustración de una estrella gigante roja orbitada por un sombrío agujero negro de masa estelar.(Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
Para los astrónomos, encontrar un nuevo agujero negro orbitando una estrella enana roja envejecida ya es un hallazgo emocionante de por sí, pero cuando ese agujero negro parece ser un agujero negro de masa estelar «eslabón perdido», ¡la emoción puede subir a 11! Eso es exactamente lo que parece estar acechando en el sistema binario G3425, que se estima se encuentra a unos 5.800 años-luz de distancia.
El componente visible de G3425 es una estrella gigante roja, el tipo de cuerpo estelar que se obtiene cuando una estrella agota su suministro de combustible de hidrógeno y ya no puede llevar a cabo la fusión nuclear en su núcleo. Esto hace que sus capas exteriores (donde continúa la fusión) se «inflen» hasta alcanzar 100 veces la anchura original de la estrella.
Nuestra estrella, el Sol, se encuentra actualmente en la edad media. Esto significa que, dentro de unos 5.000 millones de años, entrará en su fase de gigante roja y se hinchará hasta alcanzar aproximadamente la órbita de Marte, tragándose los planetas interiores, incluida la Tierra. Incluso entonces, es casi seguro que el sol gigante rojo no tendrá como compañero un agujero negro de masa estelar. La investigación del equipo se publica en la revista Nature Astronomy.
La enana roja de este sistema tiene una masa de unas 2,7 veces la de nuestro Sol, pero lo realmente interesante para los científicos es la masa de su compacta compañera oscura. Este agujero negro recién descubierto fue pesado por un equipo dirigido por Wang Song, de los Observatorios Astronómicos Nacionales de la Academia China de Ciencias (NAOC). Su masa es entre 3,1 y 4,4 veces la del Sol, probablemente unas 3,6 masas solares.
«El agujero negro cae dentro de la famosa brecha de masa, lo que lo convierte en uno de los agujeros negros más ligeros descubiertos hasta ahora», declaró Song a universeexpedition.com. «Este descubrimiento no sólo confirma la existencia de agujeros negros con brecha de masa, sino que también demuestra que las binarias que contienen agujeros negros de baja masa pueden sobrevivir a una explosión de supernova».
Song y sus colegas detectaron este agujero negro de masa estelar en los datos recogidos por el telescopio espectroscópico de fibra multiobjeto Large Sky Area Multi-Object (LAMOST) y del telescopio espacial Gaia, que mide con precisión las posiciones de miles de millones de estrellas en la Vía Láctea y más allá.
Esta combinación de datos y técnicas permitió a los investigadores observar el «tirón» gravitatorio del agujero negro sobre su estrella enana roja compañera, obligándola a revelarse.
El misterio de las masas desaparecidas
Los agujeros negros tienen muy pocas características definitorias, un hecho que el físico John Wheeler describió una vez diciendo: «Los agujeros negros no tienen pelo.» Además de la carga eléctrica y el momento angular, una de las características que sí tienen los agujeros negros y que permite a los astrónomos diferenciarlos es su masa.
Los reyes de la masa son los agujeros negros supermasivos que acechan en el corazón de la mayoría de las grandes galaxias, si no de todas, y tienen masas de millones a miles de millones de veces la del Sol. Más diminutos son los escurridizos agujeros negros de masa intermedia, que tienen masas comprendidas entre 100 y 100.000 masas solares.
Ambos tipos de agujeros negros son demasiado masivos para formarse cuando una estrella se queda sin combustible para la fusión nuclear y tras repetidos colapsos y episodios de expansión, lo que provoca un colapso total bajo su propia gravedad. Así, crecen dándose un festín voraz de materia a su alrededor o fusionándose con otros agujeros negros una y otra vez.
Los agujeros negros astrofísicos más pequeños que conocemos son los llamados agujeros negros de masa estelar, que encontramos con masas de hasta 100 veces la del Sol. Estos agujeros negros tienen el tamaño justo para nacer cuando una estrella al menos ocho veces más masiva que el sol ya no puede fusionar elementos cada vez más pesados y, por tanto, no puede generar la energía necesaria para luchar contra el empuje interior de su propia gravedad.
Una ilustración que muestra los tres tipos de agujeros negros astrofísicos, mirando desde el más masivo a la izquierda hasta el menos masivo a la derecha (Crédito de la imagen: Robert Lea (creado con Canva))
En los últimos 60 años aproximadamente, los astrónomos han encontrado docenas de agujeros negros de masa estelar que se ajustan a una distribución de entre 5 y 25 masas solares. Hasta aquí todo bien, pero hay un problema.
Las teorías sobre el nacimiento de los agujeros negros sugieren que, después de que una estrella haya perdido la mayor parte de su masa a través de una tremenda explosión de supernova que señala la victoria de la gravedad, aquellas estrellas que se aferran a sólo tres veces la masa del Sol aún deberían ser capaces de formar un agujero negro de masa estelar. Dicho esto, la pregunta es: ¿dónde están los agujeros negros de 3 a 5 masas solares?
Una ilustración de G3425 con una estrella enana roja y un agujero negro. (Crédito de la imagen: Wang Song)
Una posibilidad es que haya algún mecanismo que entre en juego durante una supernova que impida que se formen agujeros negros de 3 a 5 masas solares.
Otra posibilidad es que los agujeros negros de menor masa se vean más afectados por las «patadas» que reciben durante la explosión de una supernova y, por tanto, es menos probable que permanezcan en una binaria con una compañera visible que facilite su detección.
Esto se debe a que todos los agujeros negros, independientemente de su masa, están limitados por una superficie que atrapa la luz, llamada horizonte de sucesos, que los hace invisibles. Los agujeros negros de una binaria, como el de G3425, pueden deducirse por el efecto que tienen sobre su compañera visible. Por lo tanto, un agujero negro «golpeado por una supernova» no acompañado no será visible por estos efectos porque no tiene un compañero con el que impactar.Si ese es el caso, ¿cómo se las arregló este agujero negro para sobrevivir a ese mecanismo y/o resistir el golpe que debería haberlo enviado en espiral lejos de su compañero?
Otro enigma rodea a este sistema. G3425 es una binaria ancha con un período orbital de aproximadamente 880 días terrestres. La órbita tiene «excentricidad» cero, lo que significa que es un círculo casi perfecto. En la actualidad, el equipo no puede explicar esto mediante procesos evolutivos binarios estándar.
«Lo más sorprendente es la amplia órbita circular de la binaria», dijo Song. «La formación de una binaria de este tipo, especialmente con la participación de un agujero negro de baja masa, presenta un desafío significativo para las teorías actuales de la evolución binaria y la explosión de supernovas.»
La formación de esta binaria enana roja/agujero negro con una órbita circular sorprendentemente amplia puede suponer un desafío para las teorías actuales de evolución binaria y explosión de supernovas, pero ha aportado algunos aspectos positivos.
Estos descubrimientos demuestran que los objetos silenciosos e invisibles de las binarias pueden detectarse a través del efecto que ejercen sobre sus compañeras y que descubrir agujeros negros de baja masa al acecho puede aportar información sobre la evolución de los sistemas binarios.
