Físicos descubren el primer agujero negro triple

Un sistema observado a 8.000 años luz de distancia podría ser la primera evidencia directa de una formación “suave” de agujeros negros.

Muchos agujeros negros detectados hasta la fecha parecen ser parte de un par. Estos sistemas binarios están formados por un agujero negro y un objeto secundario (como una estrella, una estrella de neutrones mucho más densa u otro agujero negro) que giran en espiral uno alrededor del otro, atraídos por la gravedad del agujero negro para formar un par orbital ajustado.

Ahora un descubrimiento sorprendente está ampliando el panorama de los agujeros negros, los objetos que pueden albergar y el modo en que se forman.

En un estudio publicado en Nature, físicos del MIT y Caltech informan que han observado por primera vez un “triple agujero negro”. El nuevo sistema contiene un agujero negro central en el acto de consumir una pequeña estrella que gira en espiral muy cerca del agujero negro, cada 6,5 ​​días, una configuración similar a la de la mayoría de los sistemas binarios. Pero, sorprendentemente, una segunda estrella también parece estar orbitando el agujero negro, aunque a una distancia mucho mayor. Los físicos estiman que este lejano compañero orbita el agujero negro cada 70.000 años.

¿Cuál es su origen?

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El hecho de que el agujero negro parezca tener una atracción gravitatoria sobre un objeto tan lejano plantea interrogantes sobre el origen del agujero negro en sí. Se cree que los agujeros negros se forman a partir de la explosión violenta de una estrella moribunda, un proceso conocido como supernova, por el cual una estrella libera una enorme cantidad de energía y luz en un estallido final antes de colapsar en un agujero negro invisible.

El descubrimiento del equipo de investigación, sin embargo, sugiere que si el agujero negro recién observado fue el resultado de una supernova típica, la energía que habría liberado antes de colapsar habría expulsado cualquier objeto débilmente unido en sus alrededores. La segunda estrella exterior, entonces, no debería estar allí… dando vueltas.

En cambio, el equipo sospecha que el agujero negro se formó a través de un proceso más suave, denominado de “colapso directo”, en el que una estrella simplemente se derrumba sobre sí misma, formando un agujero negro sin un último destello dramático. Un origen tan suave difícilmente perturbaría ningún objeto lejano y con una ligazón débil.

Debido a que el sistema triple recién descubierto incluye una estrella muy lejana, esto sugiere que el agujero negro del sistema nació a través de un colapso directo más suave. Y aunque los astrónomos han observado, por siglos, supernovas más violentas, el equipo involucrado dice que el nuevo sistema triple podría ser la primera evidencia de un agujero negro que se formó a partir de este proceso más suave.

¿Es una rareza?

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“Creemos que la mayoría de los agujeros negros se forman a partir de violentas explosiones de estrellas, pero este descubrimiento ayuda a poner eso en duda”, dijo el autor del estudio, Kevin Burdge, miembro de Pappalardo en el Departamento de Física del MIT. “Este sistema es muy interesante para la evolución de los agujeros negros y también plantea dudas sobre si hay más sistemas triples por ahí”.

Los coautores del estudio en el MIT son Erin Kara, Claude Canizares, Deepto Chakrabarty, Anna Frebel, Sarah Millholland, Saul Rappaport, Rob Simcoe y Andrew Vanderburg, junto con Kareem El-Badry, en Caltech.

Movimiento en tándem

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El descubrimiento del triple agujero negro se produjo casi por casualidad. Los físicos lo encontraron mientras consultaban Aladin Lite, un repositorio de observaciones astronómicas, recopiladas desde telescopios en el espacio y en todo el mundo. Los astrónomos pueden usar la herramienta en línea para buscar imágenes de la misma parte del cielo, tomadas por diferentes telescopios que están sintonizados con varias longitudes de onda de energía y luz.

El equipo había estado buscando señales de nuevos agujeros negros en la Vía Láctea. Por curiosidad, Burdge revisó una imagen de V404 Cygni, un agujero negro a unos 8000 años luz de la Tierra que fue uno de los primeros objetos en ser confirmado como un agujero negro, en 1992. Desde entonces, V404 Cygni se ha convertido en uno de los agujeros negros mejor estudiados y ha sido documentado en más de 1300 artículos científicos. Sin embargo, ninguno de esos estudios informó lo que observaron Burdge y sus colegas.

Mientras observaba las imágenes ópticas de V404 Cygni, Burdge vio lo que parecían ser dos manchas de luz, sorprendentemente cercanas una de la otra. La primera mancha era lo que otros determinaron que era el agujero negro y una estrella interior que orbita muy cerca. La estrella está tan cerca que está arrojando parte de su material sobre el agujero negro y emitiendo la luz que Burdge pudo ver. _La segunda mancha de luz, sin embargo, era algo que los científicos no habían investigado de cerca, hasta ahora. Esa segunda luz, determinó Burdge, probablemente provenía de una estrella muy lejana.

“El hecho de que podamos ver dos estrellas separadas a tanta distancia significa en realidad que las estrellas tienen que estar muy separadas”, sostiene Burdge, quien calculó que la estrella exterior está a 3.500 unidades astronómicas (UA) del agujero negro (1 UA es la distancia entre la Tierra y el Sol). En otras palabras, la estrella exterior está a 3.500 veces más distancia del agujero negro que la Tierra del Sol. Esto también es igual a 100 veces la distancia entre Plutón y el Sol.

Una en 10 millones

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La pregunta que vino a la mente fue si la estrella exterior estaba vinculada al agujero negro y su estrella interior. Para responder a esto, los investigadores observaron a Gaia, un satélite de la Agencia Espacial Europea que ha rastreado con precisión los movimientos de todas las estrellas de la galaxia desde 2014. El equipo analizó los movimientos de las estrellas interiores y exteriores durante los últimos 10 años de datos de Gaia y descubrió que las estrellas se movían exactamente en tándem, en comparación con otras estrellas vecinas. Calcularon que las probabilidades de este tipo de movimiento en tándem son de aproximadamente una en 10 millones.

“Es casi seguro que no se trata de una coincidencia ni de un accidente”, insiste Burdge basado en el estudio. “Estamos viendo dos estrellas que se siguen una a la otra porque están unidas por una débil cuerda de gravedad. Por lo tanto, tiene que tratarse de un sistema triple”.

Tirando de los hilos

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¿Cómo pudo formarse entonces el sistema? Si el agujero negro surgió de una supernova típica, la violenta explosión habría expulsado a la estrella exterior hace mucho tiempo.

“Imagínese que está tirando de una cometa -barrilete- y, en lugar de una cuerda fuerte, está tirando de una telaraña”, expresó Burdge. “Si tira demasiado fuerte, la tela se romperá y perderá la cometa. La gravedad es como una cuerda apenas atada que es realmente débil y, si hace algo drástico con el binario interior, perderá la estrella exterior”.

Sin embargo, para probar realmente esta idea, Burdge realizó simulaciones para ver cómo un sistema triple de este tipo podría haber evolucionado y conservado la estrella exterior.

Al comienzo de cada simulación, introdujo tres estrellas (la tercera era el agujero negro, antes de convertirse en un agujero negro). Luego realizó decenas de miles de simulaciones, cada una con un escenario ligeramente diferente de cómo la tercera estrella podría haberse convertido en un agujero negro, y posteriormente afectó los movimientos de las otras dos estrellas. Por ejemplo, simuló una supernova, variando la cantidad y la dirección de la energía que emitía. También simuló escenarios de colapso directo, en los que la tercera estrella simplemente se derrumbó sobre sí misma para formar un agujero negro, sin emitir ninguna energía.

“La gran mayoría de las simulaciones muestran que la forma más fácil de lograr este triple trabajo es mediante el colapso directo”, afirmó Burdge.

Además de dar pistas sobre el origen del agujero negro, la estrella exterior también ha revelado la edad del sistema. Los físicos observaron que la estrella exterior está en proceso de convertirse en una gigante roja, una fase que ocurre al final de la vida de una estrella. Basándose en esta transición estelar, el equipo determinó que la estrella exterior tiene unos 4.000 millones de años. Dado que las estrellas vecinas nacen aproximadamente al mismo tiempo, el equipo concluye que el triplete del agujero negro también tiene 4.000 millones de años.

“Nunca antes habíamos podido hacer esto con un agujero negro antiguo”, afirmó Burdge. “Ahora sabemos que V404 Cygni es parte de un triplete, que podría haberse formado a partir de un colapso directo y que se formó hace unos 4.000 millones de años, gracias a este descubrimiento”.

Importante

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• El paper “The black hole low-mass X-ray binary V404 Cygni is part of a wide triple”, fue publicado en Nature. Sus autores son: Kevin B. Burdge, Kareem El-Badry, Erin Kara, Claude Canizares, Deepto Chakrabarty, Anna Frebel, Sarah C. Millholland, Saul Rappaport, Rob Simcoe & Andrew Vanderburg

• El trabajo de Burdge et al fue financiado en parte por la National Science Foundation de Estados Unidos.

• El artículo Physicists discover first “black hole triple”, con la firma de Jennifer Chu, fue publicado en MIT News