El telescopio Gemini Norte en Hawai revela el primer agujero negro latente de masa estelar en nuestro patio trasero cósmico.
Utilizando el Observatorio Internacional Gemini, los astrónomos han descubierto el agujero negro más cercano conocido a la Tierra. Esta es la primera detección inequívoca de un agujero negro de masa estelar latente en la Vía Láctea. Situado a sólo 1600 años luz de distancia, su proximidad a la Tierra ofrece un objetivo intrigante de estudio para avanzar en nuestra comprensión de la evolución de los sistemas binarios.
“Toma el Sistema Solar, pon un agujero negro donde está el Sol y el Sol donde está la Tierra, y obtienes este sistema”. Kareem El-Badry
Los agujeros negros son los objetos más extremos del Universo. Se cree que las versiones supermasivas de estos objetos inimaginablemente densos residen en los centros de todas las galaxias grandes. Los agujeros negros de masa estelar, que pesan aproximadamente de cinco a 100 veces la masa del Sol, son mucho más comunes. De hecho, se estima que hay 100 millones de agujeros negros de masa estelar solo en la Vía Láctea. Sin embargo, solo un puñado ha sido confirmado hasta la fecha, y casi todos ellos están “activos”. Esto significa que brillan intensamente en rayos X a medida que consumen material de un compañero estelar cercano, a diferencia de los agujeros negros inactivos que no lo hacen.
Los astrónomos han descubierto elagujero negromás cercano a la Tierra, que los investigadores han denominado Gaia BH1. Para encontrarlo, utilizaron el telescopio Gemini Norte en Hawai, uno de los telescopios gemelos del Observatorio Internacional Gemini, operado por NOIRLab de NSF.
Gaia BH1 es un agujero negro inactivo que es aproximadamente 10 veces más masivo que el Sol y se encuentra a unos 1600 años luz de distancia en la constelación de Ofiuco. Esto significa que está tres veces más cerca de la Tierra que el anterior poseedor del récord, un binario de rayos X en la constelación de Monoceros. El nuevo descubrimiento fue posible al hacer exquisitas observaciones del movimiento de la compañera del agujero negro, una estrella similar al Sol que orbita el agujero negro aproximadamente a la misma distancia que la Tierra orbita alrededor del Sol.
Esta animación muestra una estrella similar al Sol orbitando Gaia BH1, el agujero negro más cercano a la Tierra, ubicado a unos 1600 años luz de distancia. Las observaciones de Gemini North, uno de los telescopios gemelos del Observatorio Internacional Gemini, operado por NOIRLab de NSF, fueron cruciales para restringir el movimiento orbital y, por lo tanto, las masas de los dos componentes en el sistema binario, lo que permitió al equipo identificar el cuerpo central como un agujero negro aproximadamente 10 veces más masivo que nuestro Sol. Crédito: T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (K. C. Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC
“Tome el Sistema Solar, ponga un agujero negro donde está el Sol y el Sol donde está la Tierra, y obtendrá este sistema”, explicó Kareem El-Badry, astrofísico del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian y el Instituto Max Planck de Astronomía, y el autor principal del artículo que describe este descubrimiento que se publicó el 2 de noviembre enMonthly Notices of the Royal Astronomical Society.
“Si bien ha habido muchas detecciones reclamadas de sistemas como este, casi todos estos descubrimientos han sido refutados posteriormente. Esta es la primera detección inequívoca de una estrella similar al Sol en una órbita amplia alrededor de un agujero negro de masa estelar en nuestra galaxia”.
Aunque es probable que haya millones de agujeros negros de masa estelar vagando por la Vía Láctea, los pocos que se han detectado fueron descubiertos por sus interacciones energéticas con una estrella compañera. A medida que el material de una estrella cercana gira en espiral hacia el agujero negro, se sobrecalienta y genera poderosos rayos X y chorros de material. Si un agujero negro no se está alimentando activamente (es decir, está inactivo) simplemente se mezcla con su entorno.
“He estado buscando agujeros negros inactivos durante los últimos cuatro años utilizando una amplia gama de conjuntos de datos y métodos”, dijo El-Badry. “Mis intentos anteriores, así como los de otros, revelaron una colección de sistemas binarios que se disfrazan de agujeros negros, pero esta es la primera vez que la búsqueda ha dado frutos”.
“Si bien esto potencialmente augura futuros descubrimientos de la población de agujeros negros inactivos prevista en nuestra galaxia, las observaciones también dejan un misterio por resolver: a pesar de una historia compartida con su vecino exótico, ¿por qué la estrella compañera en este sistema binario es tan normal?”
El equipo identificó originalmente que el sistema albergaba potencialmente un agujero negro mediante el análisis de datos de la nave espacial Gaia de la Agencia Espacial Europea. Gaia capturó las diminutas irregularidades en el movimiento de la estrella causadas por la gravedad de un objeto masivo invisible. Para explorar el sistema con más detalle, El-Badry y su equipo recurrieron al instrumento Gemini Multi-Object Spectrograph en Gemini North, que midió la velocidad de la estrella compañera mientras orbitaba el agujero negro y proporcionó una medición precisa de su período orbital. Las observaciones de seguimiento de Gemini fueron cruciales para restringir el movimiento orbital y, por lo tanto, las masas de los dos componentes en el sistema binario, lo que permitió al equipo identificar el cuerpo central como un agujero negro aproximadamente 10 veces más masivo que nuestro Sol.
“Nuestras observaciones de seguimiento de Gemini confirmaron más allá de toda duda razonable que el binario contiene una estrella normal y al menos un agujero negro inactivo”, explicó El-Badry. “No pudimos encontrar ningún escenario astrofísico plausible que pueda explicar la órbita observada del sistema que no involucre al menos un agujero negro”.
El equipo confió no solo en las excelentes capacidades de observación de Gemini North, sino también en la capacidad de Gemini para proporcionar datos en un plazo ajustado, ya que el equipo solo tenía una breve ventana para realizar sus observaciones de seguimiento.
“Cuando tuvimos los primeros indicios de que el sistema contenía un agujero negro, solo teníamos una semana antes de que los dos objetos estuvieran en la separación más cercana en sus órbitas. Las mediciones en este punto son esenciales para hacer estimaciones precisas de masa en un sistema binario”, dijo El-Badry. “La capacidad de Gemini para proporcionar observaciones en una escala de tiempo corta fue fundamental para el éxito del proyecto. Si hubiéramos perdido esa estrecha ventana, habríamos tenido que esperar otro año”.
Los modelos actuales de los astrónomos sobre la evolución de los sistemas binarios tienen dificultades para explicar cómo podría haber surgido la configuración peculiar del sistema Gaia BH1. Específicamente, la estrella progenitora que más tarde se convirtió en el agujero negro recién detectado habría sido al menos 20 veces más masiva que nuestro Sol. Esto significa que habría vivido sólo unos pocos millones de años. Si ambas estrellas se formaran al mismo tiempo, esta estrella masiva se habría convertido rápidamente en una supergigante, hinchándose y envolviendo a la otra estrella antes de que tuviera tiempo de convertirse en una estrella adecuada, quemada de hidrógeno y de secuencia principal como nuestro Sol.
No está del todo claro cómo la estrella de masa solar pudo haber sobrevivido a ese episodio, terminando como una estrella aparentemente normal, como indican las observaciones del binario del agujero negro. Los modelos teóricos que permiten la supervivencia predicen que la estrella de masa solar debería haber terminado en una órbita mucho más estrecha de lo que realmente se observa.
Esto podría indicar que hay lagunas importantes en nuestra comprensión de cómo se forman y evolucionan los agujeros negros en sistemas binarios, y también sugiere la existencia de una población aún inexplorada de agujeros negros latentes en binarios.
“Es interesante que este sistema no se adapte fácilmente a los modelos de evolución binaria estándar”, concluyó El-Badry. “Plantea muchas preguntas sobre cómo se formó este sistema binario, así como cuántos de estos agujeros negros inactivos hay por ahí”.
“Como parte de una red de observatorios espaciales y terrestres, Gemini North no solo ha proporcionado una fuerte evidencia del agujero negro más cercano hasta la fecha, sino también del primer sistema de agujeros negros prístinos, despejado por el gas caliente habitual que interactúa con el agujero negro”, dijo Martin Still, Oficial del Programa Gemini de NSF. “Si bien esto potencialmente augura futuros descubrimientos de la población de agujeros negros inactivos prevista en nuestra galaxia, las observaciones también dejan un misterio por resolver: a pesar de una historia compartida con su vecino exótico, ¿por qué la estrella compañera en este sistema binario es tan normal?”
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Referencias: “A Sun-like star orbiting a black hole” por Kareem El-Badry, Hans-Walter Rix, Eliot Quataert, Andrew W Howard, Howard Isaacson, Jim Fuller, Keith Hawkins, Katelyn Breivik, Kaze W K Wong, Antonio C Rodriguez, Charlie Conroy, Sahar Shahaf, Tsevi Mazeh, Frédéric Arenou, Kevin B Burdge, Dolev Bashi, Simchon Faigler, Daniel R Weisz, Rhys Seeburger, Silvia Almada Monter y Jennifer Wojno, 2 de noviembre de 2022, Avisos mensuales de la Real Sociedad Astronómica. DOI: 10.1093/mnras/stac3140
Las observaciones de Gemini Norte se realizaron como parte del programa de tiempo discrecional de un director (identificación del programa: GN-2022B-DD-202).