Un agujero negro que desafía los modelos de evolución estelar

Recreación artística del agujero negro estelar LB-1 con una estrella orbitando a su alrededor. / Jingchuan Yu

¿Cómo de grandes son los agujeros negros creados por el colapso de las estrellas masivas? Los astrónomos han estimado que hay 100 millones de agujeros negros en nuestra galaxia. Hasta ahora se pensaba que su masa no superaba las 15 masas solares. Pero un equipo internacional de científicos, dirigido por el investigador Jifeng Liu del Observatorio Astronómico Nacional de China (Academia China de Ciencias) y en el que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ha detectado un agujero negro estelar con una masa 70 veces mayor que la del Sol.

La masa de este agujero negro de nuestra galaxia es 70 veces mayor que la del Sol, cuando se suponía que no superaría las 15 masas solares

El descubrimiento, publicado esta semana en la revista Nature, ha sido una gran sorpresa. “Los agujeros negros con esta masa ni siquiera deberían existir en nuestra galaxia, según la mayoría de los modelos actuales de evolución estelar –explica Liu–, ahora los científicos tendrán que aceptar el reto de explicar su formación en un entorno de metalicidad solar (abundancia de elementos más pesados que el helio en una estrella)». El gigante recién descubierto se encuentra a 15.000 años luz de la Tierra y recibe el nombre de LB-1.

Hasta hace pocos años, los agujeros negros de origen estelar solo podían ser descubiertos cuando engullían el gas de una estrella compañera. Este proceso crea potentes emisiones de rayos X, detectables desde la Tierra, que revelan la presencia del objeto colapsado. Sin embargo, la gran mayoría de los agujeros negros de la Vía Láctea no están devorando materia en este momento y permanecen en completa oscuridad. Por eso, solo se han podido identificar y estudiar, hasta ahora, dos docenas de agujeros negros entre los 100 millones que pueblan nuestra galaxia.

Jifeng Liu y sus colaboradores utilizaron una técnica diferente para encontrar nuevos agujeros negros. Observaron el cielo con el telescopio óptico LAMOST de 4 metros en el noreste de China para buscar estrellas que orbitan alrededor de un objeto invisible, arrastradas por su gravedad. Esta búsqueda no es una tarea fácil: como mucho, una estrella entre mil puede estar orbitando un agujero negro. Es como tratar de encontrar una aguja en un pajar.

Agujero negro masivo LB-1 junto con su estrella compañera en primer plano. / Jingchuan Yu

Los recientes desarrollos tecnológicos de los telescopios y detectores han hecho posible esta búsqueda, más de 200 años después de que el visionario científico inglés John Michell propusiera, por primera vez, dicha técnica. Los telescopios más grandes existentes, el Gran Telescopio Canarias (GTC), también conocido como Grantecan, de 10,4 metros, en el Observatorio del Roque de los Muchachos (La Palma, España), y el telescopio Keck de 10 metros, en el Observatorio Mauna Kea (Hawái, Estados Unidos), se utilizaron en el seguimiento de LB-1 y para poder determinar los parámetros físicos del sistema.

Estrellas tan grandes como para formar un monstruo de agujero negro como este se deberían destruir por explosiones de supernova, no dejar un agujero negro

«Estas observaciones han sido posibles gracias a la gran superficie colectora de luz de Grantecan y a su modo de observación altamente flexible, que ha permitido un seguimiento intensivo de la fuente durante varios meses», añade Romano Corradi, director del telescopio Grantecan.

Nueva era en el estudio de agujeros negros

Los resultados fueron muy reveladores: observaron una estrella ocho veces más pesada que el Sol orbitando un agujero negro de 70 masas solares cada 79 días. «Este agujero negro es mucho más masivo que los que encontramos habitualmente en la Vía Láctea, cuyas masas se distribuyen entre 5 y 15 masas solares», subraya Jorge Casares, investigador del IAC y de la Universidad de La Laguna.

El descubrimiento de LB-1 encaja con otro avance en astrofísica. Recientemente, los detectores de ondas gravitacionales LIGO y Virgo han comenzado a captar las ondas en el espacio-tiempo causadas por las colisiones de agujeros negros en galaxias distantes. Estos agujeros negros han resultado ser también mucho más masivos de lo esperado.

Sin embargo, los agujeros negros de LIGO y Virgo se pueden explicar de manera natural dentro del marco de la teoría estándar de evolución estelar. En contraste, «el agujero negro LB-1 parece imposible de explicar», añade Chris Belczynski, investigador de la Academia Polaca de Ciencias, ya que «las estrellas suficientemente grandes como para formar un monstruo de agujero negro de 70 masas solares deberían ser totalmente destruidas por poderosas explosiones de supernova, que solo dejan gas y polvo dispersos, y no agujeros negros».

Este descubrimiento obliga a revisar los modelos de formación de agujeros negros de origen estelar

«El avistamiento directo de LB-1 demuestra que esta población de agujeros negros estelares masivos existe incluso en nuestro propio vecindario. Este descubrimiento nos obliga a reexaminar los modelos de formación de agujeros negros de origen estelar», comenta el director de LIGO e investigador de la Universidad de Florida, David Reitze.

“Este notable resultado, junto con las detecciones de LIGO-Virgo de colisiones binarias de agujeros negros realizadas en los últimos cuatro años, apunta a un renacimiento de nuestra comprensión de la astrofísica de agujeros negros», apunta Reitze.

Mientras tanto, Liu y su equipo (incluyendo científicos de China, Australia, Italia, Holanda, Polonia, España y los Estados Unidos) ya están llevando a cabo una nueva campaña de observación para medir las propiedades de LB-1 con mayor precisión y descubrir otros sistemas similares. «Nuestro objetivo es hallar varias docenas de casos más –concluye Liu–, con el fin de explorar la diversidad de agujeros negros y comprender mejor las etapas finales de la vida de las estrellas masivas».

Referencia bibliográfica:
Jifeng Liu et al. ‘A wide star-black-hole binary system from radial-velocity measurements’, Nature, November 575: 618–621 (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1766-2.