29 de Enero de 2021
Astronomía

Hallan un posible agujero negro de baja masa en la constelación del Unicornio

Los científicos llevan años tratando de confirmar si existen agujeros negros de menos de 5 masas solares, y varios descubrimientos recientes ofrecen esperanzas de resolver el misterio.

El nuevo candidato a agujero negro forma un sistema binario con una estrella gigante de la constelación de Monoceros («unicornio», en griego). La ilustración que se muestra aquí procede de El espejo de Urania, un conjunto de cartas astronómicas publicadas en 1824. [Sidney Hall, dominio público]

Hace un decenio, Feryal Özel y sus colaboradores se dieron cuenta de algo extraño. Aunque habíamos hallado todo un abanico de posibles agujeros negros en nuestra galaxia, aparentemente no había ninguno por debajo de un cierto tamaño. «Parecía haber una ausencia de agujeros negros con menos de 5 masas solares», aclara la científica. «Desde el punto de vista estadístico, era algo muy significativo.»

Desde que Özel, astrofísica de la Universidad de Arizona, publicara un artículo sobre el problema en 2010, nadie ha logrado explicar esa «brecha de masa». Incluso después de que los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo comenzaran a identificar decenas de agujeros negros ocultos —con algunas sorpresas incluidas—, la brecha de masa se mantuvo firme.

Con el tiempo, Özel y otros astrofísicos comenzaron a hacerse una pregunta: ¿los agujeros negros pequeños son difíciles de encontrar, o puede que ni siquiera existan? «Es importante establecer mediante observaciones si la brecha es real o se trata de un artefacto observacional», subraya Vicky Kalogera, astrofísica de la Universidad del Noroeste y miembro principal del equipo de LIGO.

Algunos hallazgos empiezan a sugerir que podría ocurrir lo segundo. En los últimos dos años, los investigadores han encontrado varios posibles agujeros negros que se sitúan en la brecha de masa. Y a principios de este mes, los astrónomos presentaron pruebas del que podría ser nuestro mejor candidato: un objeto de 2,9 masas solares al que se refirieron como el «unicornio» en el título de su artículo, publicado en el repositorio arXiv. [El término inglés «unicorn» sirve para designar algo muy deseado pero difícil de encontrar y se presta a un juego de palabras, dado que el objeto se ubica en la constelación del Unicornio.]

Antes de LIGO, el principal método para descubrir agujeros negros consistía en buscar los rayos X que producen al absorber la materia de una estrella cercana. Los astrónomos también pueden detectar el efecto gravitatorio que ejercería un agujero negro sobre una estrella en un sistema binario. Los investigadores del nuevo estudio emplearon este último método, centrándose en el sistema V723 Monoceros, situado a unos 1000 años luz de la Tierra. Estudiaron el movimiento de una estrella gigante roja con diversos telescopios, entre ellos el satélite Gaia de la Agencia Espacial Europea, que cartografía la posición de miles de millones de estrellas de nuestra galaxia, y el Satélite para el Sondeo de Exoplanetas en Tránsito (TESS) de la NASA, dedicado a la búsqueda de exoplanetas.

Los investigadores concluyeron que la gigante roja parece estar bailando con un compañero invisible. «La explicación más sencilla para ese compañero oscuro es un único objeto compacto, muy probablemente un agujero negro, [con una masa situada] en la "brecha de masa"», escribió el equipo.

De confirmarse, el descubrimiento arrojaría luz sobre una sutil distinción que la naturaleza hace al final de la vida de una estrella masiva. Cuando una estrella gigante agota su combustible, la masa de la estrella se desploma hacia el interior y su núcleo colapsa. Llegado un momento, si la estrella logra superar la fuerza gravitatoria, estalla en una supernova. Pero en caso contrario, si hay demasiada masa, el astro continúa colapsando y forma un agujero negro.

«Tiene lugar una carrera entre la explosión y la formación del agujero negro», señala Todd Thompson, astrofísico teórico de la Universidad Estatal de Ohio y coautor del reciente trabajo. «Esa carrera se decide aproximadamente en un segundo. Si la estrella no explota en ese segundo, se forma un agujero negro. Y si estalla, deja atrás una estrella de neutrones.»

No está claro qué es exactamente lo que determina si una estrella explota en forma de supernova o sigue desplomándose para formar un agujero negro. «La física de las explosiones de supernova constituye una gran incógnita», apunta Thompson. La brecha de masa de los agujeros negros «podría aportar una pista crucial para comprender ese proceso».

Hasta ahora se han producido algunos descubrimientos provisionales en la brecha de masa. Benjamin Giesers, de la Universidad de Gotinga, y sus colaboradores hallaron un posible agujero negro de 4,4 masas solares  en 2018, mientras que Thompson y su equipo encontraron un candidato de 3,3 masas solares  en 2019.

Y el año pasado, los científicos de LIGO anunciaron la detección de un objeto con 2,6 veces la masa de nuestro Sol, un candidato muy atractivo con una masa que cae de pleno en la brecha. «Las pruebas más convincentes de la existencia de un agujero negro en la brecha de masa las ha aportado LIGO», asegura Thompson.

Sin embargo, con esas masas tan pequeñas resulta difícil distinguir entre un agujero negro y una estrella de neutrones, ya que estas últimas pueden alcanzar un máximo teórico de 3 masas solares. Y dependiendo de las condiciones, las estrellas de neutrones también pueden parecer oscuras. «Si la estrella de neutrones es un púlsar con un haz que apunta hacia nosotros, presenta algunos signos muy evidentes», explica Tom Maccarone, experto en agujeros negros y estrellas de neutrones de la Universidad de Tecnología de Texas. «Pero si no lo es, puede ser muy difícil distinguirla» de un agujero negro.

Eso hace que descubrimientos de agujeros negros como el reciente de LIGO sigan sin confirmar, igual que ocurre con el «unicornio». «Parece posible [que el nuevo objeto sea un agujero negro]», concede Özel. «Creo que sus métodos son robustos y el análisis es minucioso. Sigue habiendo un par de posibilidades más en cuanto a lo que podría ser, pero su conclusión —que lo más probable es que se trate de un único objeto oscuro con una masa de 2,9 masas solares— me parece sólida.»

No todos están tan seguros. Por un lado, puede que el sistema no sea binario, sino triple, de modo que la masa que falta se repartiría entre dos objetos más pequeños. Maccarone añade que si el unicornio es un agujero negro, debería arrancar materia de su estrella compañera y generar rayos X. «La luminosidad en rayos X es muy débil para tratarse de un agujero negro», valora.

También existe incertidumbre sobre la masa del propio objeto. Aunque el mejor cálculo arroja 2,9 masas solares, los autores afirman que podría pesar entre 2,6 y 3,6 veces más que el Sol. «Ese intervalo es demasiado amplio para que podamos estar seguros de que [no] se trata de una estrella de neutrones», admite Kalogera. «Y no hay nada más en las observaciones que nos permita distinguir entre una estrella de neutrones y un agujero negro.»

Si resulta que el nuevo objeto no es un agujero negro —y si los otros candidatos tampoco resisten un examen más exhaustivo—, quizá es que los agujeros negros con menos de 5 masas solares no pueden formarse. Eso tendría importantes implicaciones en nuestra comprensión de la física de las supernovas. «Si realmente existe esta brecha, eso sugiere un mecanismo de explosión muy rápido», argumenta Maccarone. «No entendemos el motor de las supernovas lo bastante bien como para tener un fuerte prejuicio teórico sobre lo que cabría esperar.»

Pero si el unicornio realmente es un agujero negro de baja masa, podría ser que hubiera muchos otros similares a la espera de ser descubiertos y estudiados. «Eso es lo emocionante de este artículo», concluye Özel. «Si llegamos a un punto en el que conocemos más de uno o dos objetos así, podremos entender qué clase de procesos conducen a estos agujeros negros de menor masa.»

Jonathan O'Callaghan/Quanta Magazine

Artículo original traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «A Unicorn in Monoceros: The 3M dark companion to the bright, nearby red giant V723 Mon is a non-interacting, mass-gap black hole candidate», T. Jayasinghe et al. en arXiv:2101.02212 [astro-ph.SR], 6 de enero de 2021.

Los boletines de Investigación y Ciencia

Elige qué contenidos quieres recibir.