11 de Noviembre de 2022
Agujeros negros

Descubren el agujero negro más cercano al Sol

Una estrella muy parecida al Sol, situada a unos 1500 años luz de distancia, orbita alrededor de un agujero negro «durmiente» que supone un reto para las teorías de evolución estelar.

La región de Ofiuco donde se ha descubierto el agujero negro Gaia BH1, tal y como aparece representada en el atlas celeste de Alexander Jamieson (1822). El objeto es demasiado débil como para constar en el atlas, pero aquí hemos señalado su ubicación con una circunferencia roja. [Alexander Jamieson/Wikimedia Commons, Dominio público]

Desde su lanzamiento en 2013, la misión espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea sigue acumulando uno de los mayores tesoros científicos de la astrofísica moderna. Este satélite artificial se dedica principalmente a la astrometría, es decir, a la medida precisa de las posiciones y movimientos de las estrellas de nuestra galaxia. A los datos astrométricos, Gaia añade también medidas fotométricas (de brillo y color) y espectroscópicas que, tomadas en conjunto, constituyen el mayor y mejor censo de estrellas jamás recopilado. Los resultados están revolucionando muchas ramas de la astrofísica y conforman un material sobre el que se trabajará durante décadas.

El estudio de la remesa más reciente de datos de Gaia ha llevado a descubrir el agujero negro de masa estelar más cercano que se conoce hasta el momento. El objeto, denominado de manera informal Gaia BH1, se encuentra a tan solo 1500 años luz del Sol, un tercio de la distancia hasta el agujero negro que antes ostentaba la plusmarca de distancia mínima. Pero lo más destacado del hallazgo es que se trata del primer agujero negro «durmiente» confirmado.

Es bien sabido que los agujeros negros no se pueden ver directamente, porque no emiten por sí mismos radiación electromagnética detectable. Sin embargo, estos objetos sí interactúan con su entorno a través de la atracción gravitatoria, y esa interacción puede conducir a fenómenos astrofísicos observables. Salvo un caso detectado mediante el efecto de lente gravitatoria, todos los demás agujeros negros confirmados hasta ahora se habían identificado gracias a los variados procesos de emisión que se desencadenan en la materia que cae sobre ellos. Los agujeros negros supermasivos que parecen existir en el centro de todas las galaxias grandes, incluida la nuestra, se manifiestan solo cuando se encuentran rodeados por un medio interestelar que los alimenta con material que se precipita sobre su horizonte de sucesos. Los agujeros negros más ligeros, los llamados «estelares» o «de masa estelar», solo saltan a la vista si forman parte de un sistema binario con una estrella normal y, a la vez, la pareja está tan junta que el agujero negro roba materia al astro normal. Se producen entonces los variados fuegos artificiales característicos de las estrellas binarias de rayos X.

El punto que ocupa el centro geométrico de esta imagen corresponde al astro visible del sistema Gaia BH1. El campo de visión tiene un ancho de diez minutos de arco, lo que equivale a un tercio del diámetro aparente del disco lunar. Por su brillo (magnitud <em>G</em> igual a 13,8), el sistema debería ser detectable con medios no profesionales. Si alguien acepta el desafío, puede intentarlo apuntando a las coordenadas 17:28:41.09;−00:34:51.9 (J2000.0), en la constelación de Ofiuco. [Imagen generada con el <a href="https://archive.eso.org/dss/dss">ESO Online Digitized Sky Survey</a>.]

Pero este nuevo agujero negro estelar en un sistema binario se encuentra en estado «durmiente»: no absorbe material de su compañera y, por tanto, no está rodeado de una zona de gas caliente que emita radiación y delate su existencia. No obstante, sigue ejerciendo atracción gravitatoria sobre el entorno, y aquí está la clave de su descubrimiento: Gaia BH1 forma una pareja con una estrella normal, tan alejada que no le puede robar materia, pero sobre la que ejerce un tirón gravitatorio que retuerce su trayectoria aparente por el espacio.

Las estrellas solitarias trazan un camino sinuoso y suave en el cielo de la Tierra, una especie de serpenteo que resulta de combinar el movimiento relativo rectilíneo entre la estrella y el Sol (el llamado movimiento propio) con el ligerísimo cambio de punto de vista inducido por el desplazamiento de la Tierra en torno al Sol (movimiento de paralaje). Pero si una estrella está acompañada por otro astro masivo, aunque invisible, la atracción del segundo objeto puede alterar ese serpenteo suave de maneras caprichosas, y el estudio de esas desviaciones proporciona mucha información sobre el cuerpo oscuro.

Esta técnica se aplica desde hace siglos. La inauguró Friedrich Bessel en 1844, cuando analizó el movimiento de la estrella más brillante del cielo nocturno, Sirio. Bessel demostró que debía estar acompañada por un astro secundario poco brillante, aunque muy masivo, una enana blanca que, en efecto, se observaría de manera directa unas décadas después. El satélite Gaia aplica esta técnica con un nivel de precisión sin precedentes, y esto le ha permitido descubrir muchas decenas de miles de casos semejantes, casi siempre debidos a estrellas normales, pero invisibles, que acompañan a las que sí se detectan de manera directa por su brillo. Se esperaba que el mismo método condujera a descubrir agujeros negros durmientes y, en octubre de 2022, por fin se ha logrado confirmar el primero de ellos.

A la izquierda (<em>rojo</em>), se representa la trayectoria sinuosa y suave que trazaría en el cielo, a lo largo de seis años, la estrella visible de Gaia BH1 en caso de no formar parte de un sistema binario. El movimiento general (desde arriba a la derecha hacia abajo a la izquierda) se debe a la velocidad relativa entre el Sol y ese astro, mientras que las ondulaciones reflejan la traslación de la Tierra, por lo que se aprecian seis de ellas. A la derecha (<em>verde</em>), vemos el movimiento que se observa en realidad. Las perturbaciones se deben al agujero negro compañero y se producen a intervalos aproximados de medio año. La escala del movimiento aparente se da en milisegundos de arco y, en seis años, asciende en total a poco más de 0,17 segundos de arco, un tamaño equivalente al de una moneda de un euro situada a 29 kilómetros de distancia. [Elaborado a partir de «<a href="https://doi.org/10.1093/mnras/stac3140">A Sun-like star orbiting a black hole</a>», Kareem El-Badry et al. en <em>Monthly Notices of the Royal Astronomical Society</em>, art. stac3140, 2 de noviembre de 2022]

Un equipo de investigación internacional encabezado por Kareem El-Badry utilizó los datos de Gaia, tanto astrométricos como fotométricos y espectroscópicos, para identificar sistemas estelares múltiples candidatos a albergar agujeros negros durmientes de masa estelar. Luego complementaron estos datos con las observaciones de seis telescopios situados en el suelo. De este modo, han confirmado más allá de toda duda que la fuente designada como Gaia DR3 4373465352415301632 contiene el primer agujero negro conocido de esta categoría tan esquiva. Como el nombre original es muy poco práctico, proponen la denominación informal Gaia BH1, donde las siglas BH proceden del inglés black hole, «agujero negro».

La estrella visible se parece mucho al Sol, con una masa y una luminosidad casi idénticas a las de nuestra estrella, si bien exhibe una composición química algo menos metálica y rota el doble de rápido. Ese astro recorre cada 186 días una órbita elíptica alrededor de un agujero negro de unas diez masas solares, a una distancia media algo menor que la que separa a Marte de nuestro astro rey. El sistema se mueve a 77 kilómetros por segundo respecto del Sol y se observa en la constelación de Ofiuco, y el brillo aparente del objeto visible es lo bastante intenso como para que se pueda captar con medios de observación no profesionales.

El estudio recién publicado dedica un espacio considerable a debatir el posible origen de este agujero negro, porque los mecanismos de formación conocidos hacen difícil explicar que exista una pareja con las características descritas. Las teorías de evolución estelar en sistemas binarios predicen objetos más próximos entre sí, o bien agujeros negros menos masivos.

Gaia BH1 es solo el primer miembro conocido de una clase que se espera que sea enorme: se calcula que debe de haber unas diez veces más agujeros negros durmientes que «activos» (los que emiten rayos X debido a la ingestión de materia). El análisis detallado de los datos ya publicados por Gaia puede revelar más casos. Sea como fuere, la misión Gaia sigue adelante y publicará en años venideros recopilaciones de datos aún más completos y precisos que, sin duda, incluirán ejemplares nuevos. El equipo de investigación responsable de este estudio ya está listo para abordar el desafío.

David Galadí-Enríquez 

Referencia: «A Sun-like star orbiting a black hole». Kareem El-Badry et al. en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, art. stac3140, 2 de noviembre de 2022.

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