Primera detección directa de un Agujero negro no masivo fuera de nuestra galaxia.

Con la ayuda de poderosos instrumentos astronómicos como el Hubble Space Telescope y el Very Large Telescope, un grupo de astrónomos y astrónomas ha logrado encontrar, de forma directa, un pequeño agujero negro en un cúmulo estelar de la conocida Gran Nube de Magallanes, una de las galaxias satélites más cercanas a la nuestra galaxia, la Vía Láctea. Esta importante hazaña podría tener importantes consecuencias para la comprensión de los agujeros negros y su evolución.

Uno de los Objetos Más Misteriosos del Universo

Los agujeros negros han sido, son y, muy probablemente, serán uno de los misterios más grandes de nuestro universo, a pesar de que, a día de hoy, sepamos mucho acerca de ellos. Estos agujeros negros son regiones finitas del espacio-tiempo en donde la gravedad, o bien, la curvatura del propio espacio-tiempo, es tan ‘grande’ que absolutamente nada puede escapar de ellos, siquiera la luz. Incluso nuestras mejores teorías y leyes físicas corren un cierto ‘riesgo’ cuando intentamos describir a los agujeros negros con ellas.

Existen quizá muchos tipos de agujeros negros en nuestro universo; algunos son parte nuestras teorías, mientras que de otros tenemos casi toda certeza de su existencia ‘real’. Hace un tiempo escribimos un resumen acerca de estos tipos de agujeros negros en un blog aquí, en la Astrodemia. Puedes ver ese blog aquí.

Cómo Detectar Agujeros Negros

En general, cuando hablamos de agujeros negros que ‘realmente’ existen en nuestro universo nos referimos principalmente a dos tipos: Agujeros Negros Supermasivos, los que se encuentran en los centros de la mayoría de las galaxias, y los Agujeros Negros Estelares, los que se forman partir de la muerte de estrellas masivas. Esta noticia esta relacionada a estos últimos y, si luego quieres aprender un poco más acerca de ellos, te invitamos a leer la información adicional que hemos preparado a final de esta noticia.

¡Okey! Pero… ¿Cómo sabemos que estos tipos de agujeros negros existen realmente? La respuesta a esta pregunta es un tanto ‘compleja’, pues definir la existencia de ‘algo’ en nuestro universo también es algo ‘complejo’. Un consenso de hoy es definir la existencia de ‘algo’ mientras podamos verlo o detectarlo con nuestra tecnología, o bien, con nuestros sentidos (esto no aplica siempre).

Aún así, con este consenso puedes ser un tanto engañoso decir que ciertos tipos de agujeros negros existen pues, como mencionamos, no hay información, siquiera luz, que podamos recibir desde ‘dentro’ de estos objetos… ¿cómo entonces?

Para afirmar la existencia de los agujeros negros, en cambio, debemos ver o detectar los efectos que ellos ejercen en sus alrededores, por ejemplo; sobre la materia o luz alrededor de ellos. En base a esto, a lo largo de los años, la comunidad científica se ha dado cuenta de diversas formas de cómo detectar agujeros negros, las cuales usualmente son reclutadas por esta comunidad en dos grandes grupos: Indirecta y Directa.

La detección indirecta de agujeros negros hace referencia, generalmente, cuando podemos observar a estos agujeros negros ‘comiendo’, o bien acretando, material (generalmente gas) que se encuentra a su alrededor. Al caer material a un agujero negro, este suele configurarse en la forma de un disco antes de ser engullido. La velocidades que adquiere el material en el disco de acreción son inmensas y los choques entre las componentes de dicho material se vuelven cade vez más frecuente.

Esto hace que en gran parte de disco de acreción el propio material se caliente a temperaturas absurdas de millones de grados centígrados, haciéndolo brillar con gran intensidad y en distintos rangos del espectro electromagnético, especialmente en longitudes correspondientes a las ondas de radio, los rayos X y los rayos gamma.

Por otro lado, cuando se habla de detección directa de agujeros negros, se suele referir, en general, a cuando podemos observar un o más objetos, típicamente estrellas, orbitando o siendo afectado gravitacionalmente por algo que ‘no se puede ver‘.

De la forma indirecta, se tiene evidencia de agujeros negros tanto en nuestra galaxia como en otras, a millones de años luz. Mientras que de la forma directa, si bien se tiene evidencia de agujeros negros en nuestra galaxia, sólo se tiene evidencia de uno fuera de nuestra galaxia y es del cual se trata esta noticia de hoy.

Antes de ir a la noticia debes saber que otra forma de detectar agujeros negros dió frutos no hace mucho tiempo. Esta forma de detección ocurre observando los ‘terremotos gravitacionales’ en el espacio-tiempo producidos por la fusión de agujeros negros (u otros objetos compactos en general). Estos terremotos gravitacionales son más conocidos como ondas gravitacionales. En Astrodemía hemos escrito un blog acerca de las ondas gravitacionales. Si quieres saber más, puedes leer este blog aquí.

Primera Detección Directa de un Agujero Negro No Masivo Fuera de Nuestra Galaxia

Con la ayuda de los datos de dos años del instrumento Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), montado en el Very Large Telescope (VLT), datos del poderoso Hubble Space Telescope (HST) y datos del Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE), un equipo de investigación liderado por la Dra. Sara Saracino, logró la gran hazaña de detectar, de forma directa, un agujero negro de aproximadamente 9 a 13 masas solares que se encontraba agitando a una estrella con masa aproximada de 5 masas solares en el joven cúmulo estelar NGC 1850, ubicado en la Gran Nube de Magallanes a más de 160.000 años luz de distancia de nuestro sistema solar. Este hallazgo, como ya mencionamos, se trata de la primera detección directa de un agujero negro fuera de nuestra galaxia.

No obstante, el novedoso método utilizado por el equipo para encontrar a este agujero negro ‘no masivo’ podría ser clave para comenzar a encontrar más objetos de este tipo. En síntesis, un agujero negro que agita gravitacionalmente a una estrella también provoca cambios en el espectro de la luz de dicha estrella haciendo que este se corra «hacia el azul» si la estrella se acerca con respecto a un observador, o bien, «hacia el rojo» si la estrella se aleja respecto a un observador. Este efecto es particularmente notable cuando observamos las líneas espectrales de objetos como las estrellas. Hace un tiempo también escribimos un blog acerca de estas líneas espectrales en la Astrodemia, el cual puedes leer aquí si quieres saber más al respecto.

Al observar un cúmulo de estrellas, donde fácilmente podrían encontrarse miles de estrellas, es fácil también encontrar sistemas de múltiples estrellas, siendo los sistemas binarios, es decir, sistemas de dos estrellas, los más comunes. Las estrellas de estos sistemas, al orbitarse mutuamente, pueden parecer acercarse y alejarse de forma periódica desde alguien las observa desde lejos y, por lo tanto, el espectro de su luz podría verse también afectado.

Gracias a la tecnología actual, en algunos casos, es posible detectar este movimiento e identificar a cada una de las componentes de estos sistemas estelares múltiples. Pero… ¿qué ocurre cuando no hay nada «visible» que haga orbitar a una estrella?

De seguro fue esto lo que llamó la atención a este equipo de investigación cuando analizaron los datos del cúmulo NGC 1850 y lo que los llevó a obtener fuerte evidencia de la detección directa de un agujero negro en dicho cúmulo. Dicha hazaña probablemente no habría sido posible sin la ayuda de MUSE que, combinado con la Óptica Adaptativa del VLT, logra detectar los espectros de un gran número de objetos a la vez, especialmente importante cuando se trata de un cúmulo de estrellas.

También, de suma importancia para el equipo fueron los datos del HST, puesto que gracias a este renombrado telescopio el equipo pudo asegurarse de que la estrella, en cuestión formaba parte del cúmulo y que además, junto con los datos del OGLE, permitieron al equipo calcular la masa tanto, de la estrella como de su oscuro compañero.

Los resultados de la investigación del equipo de la Dra. Sara Saracino han sido publicados en las Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), una prestigiosa revista científica de alcance internacional, bajo el título «A black hole detected in the young massive LMC NGC 1850 cluster» el 11 de noviembre de este año (2021). Más información acerca de este artículo la puedes encontrar en la sección Enlaces en la parte final de esta noticia.

En la siguiente tabla a continuación resumimos algunas de las propiedades importantes de sistema del agujero negro, denominado NGC 1850 BH1, y la estrella.

Consecuencias del descubrimiento de NGC 1850 BH1

Como mencionamos al inicio, los agujeros negros aún siguen siendo un misterio para la comunidad científica, no sólo porque no sabemos exactamente qué es lo ocurre dentro de ellos, sino que también porque en algunas ocasiones es difícil explicar el origen de algunos de ellos, entre otras cosas.

El hallazgo de NGC 1850 BH1 y la increíble precisión de los datos obtenidos por el equipo de la Dra. Sara Saracino serán útiles para muchos otros estudios posteriores a este de los cuales hemos querido rescatar algunos de los más relevantes:

• Cúmulos Estelares: El hallazgo de un agujero negro en un cúmulo estelar jóven es importante para caracterizar la masa de otros agujeros negros que puedan encontrarse dentro el cúmulo. Además también nos estrega datos de la permanecía temporal de estos cuerpos en dichos cúmulos.
• Medición de masas de agujeros negros: En general, se tienen muy pocos datos precisos de masas de agujeros negros puesto que este dato suele estar asociado a grandes márgenes de error cuando se trata especialmente de agujeros negros asociados a discos de acreción brillantes.
• Método utilizado: La precisión de los datos obtenidos por el equipo demuestran el potencial del método de obtención de los propios datos, del cual se espera poder detectar, de forma, directa nuevos ejemplares de agujeros negros tanto dentro cómo fuera de nuestra galaxia, lo que repercute nuevamente en los dos puntos anteriores.

Información adicional

La Gran Nube de Magallanes y NGC 1850

En «términos galácticos», la Gran Nube de Magallanes es una galaxia pequeña e irregular que se encuentra a unos 160.000 años luz de distancia de nuestro sistema solar. También se suele decir que es una galaxia satélite de la Vía Láctea, puesto que la orbita gracias a la acción gravitacional que ejerce una con la otra.

Su nombre actual fue acuñado luego de ser divizada por el famoso explorador Fernando (o Hernando) de Magallanes en sus expediciones al hemisferio sur terrestre. Fue observada por primera vez a ojo desnudo y antes de la invención del telescópio. Aún puede ser vista desde el hemisferio sur terrestre a ojo desnudo en lugares oscuros, lo que la convierte un uno de los objetos más distantes del universo que pueden ser observados a simple vista.

Hoy en día, con ayuda de la tecnología astronómica actual, hemos sido capaces de observar sub-estructuras de esta galaxia, e incluso estrellas individuales. Una de las sub-estructuras que se pueden apreciar con ayuda de potentes telescopios en la Gran Nube de Magallanes es el cúmulo NGC 1850, que descubierto por primera vez por el astrónomo escocés James Dunlop en 1826.

NGC 1850 está compuesto por cientos de miles de estrellas y su forma nos recuerda a los antiguos cúmulos estelares globulares presentes en nuestra galaxia. Sin embargo, a diferencia de los miles de millones de años de antiguedad de los cúmulos estelares globulares de nuestra galaxia, se estima que NGC 1850 tendría aproximadamente 100 milones de años, lo que lo hace relativamente joven (astronómicamente hablando) y compuesto por estrellas relativamente jóvenes.

Formación de Agujeros Negros Estelares

Una forma (pero no la única) en la que nacen quizá la gran mayoría de los agujeros negros de nuestro universo es cuando estrellas masivas, con masa inicial mayor a aproximadamente unas 25 masas solares, se quedan finalmente sin combustible disponible para fusionar en su núcleo.

Según los modelos teóricos actuales, lo descrito anteriormente ocurre generalmente cuando en el núcleo de estas estrellas está compuesto por una cantidad considerable de hierro, el cual es formado por la propia fusión en el núcleo de estas estrellas y del cual la estrella «no puede extraer energía» al no poder fusionarlo.

En pocas palabras, cuando lo anterior ocurre, rápidamente se interrumpen casi por completo todas las reacciones nucleares que brindan energía a estas estrellas masivas y que contrarrestaban el propio peso gravitacional de ellas sobre sí mismas.

Luego, estas estrellas colpasan sobre sí mismas aplastándo sus respectivos núcleos. Sin embargo, en la mayoría de los casos, estos núcleos responden con un súbito movimiento de rebote antes de ser aplastados por completo. Este movimiento genera una poderosa onda de choque de gran energía que se propaga por las capas que caen hacia los núcleos de estas estrellas haciéndolos explotar hacia afuera. Estas explosiones son las que conocemos como explosiones de Supernovas de Colpaso Nuclear.

En algún punto del proceso descrito anteriormente, los núcleos de estas estrellas alcanzan densidades extremas hasta colpsar sin freno alguno. Esto da paso a la formación de los conocidos agujeros negros estelares.

Enlaces

• Artículo científico relacionado a la Noticia
• Noticia de ESO (español/inglés)
• Tipos de Agujeros Negros en el Universo: un resumen (BLOG en Astrodemia)
• De la manzana de Newton a LIGO: Ondas Gravitacionales (BLOG en Astrodemia)
• Espectros en el cosmos (BLOG en Astrodemia)
• Monthly Notices of the Royal Astronomical Society