Los físicos descubren el primer «agujero negro triple»
El triple sistema, situado a 8.000 años luz de la Tierra, puede ser la primera evidencia directa de la formación «suave» de agujeros negros.
Por Jennifer Chu / MIT News
Recreación artística del agujero negro central V404 Cygni (punto negro) en el proceso de consumir una estrella cercana (cuerpo naranja, a la izquierda), mientras que una segunda estrella (destello blanco superior) orbita a una distancia mucho mayor. Crédito: Jorge Lug
Muchos agujeros negros detectados hasta la fecha parecen formar parte de una pareja. 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 el uno alrededor del otro, atraídos por la gravedad del agujero negro para formar una pareja orbital estrecha.
Ahora, un sorprendente descubrimiento amplía el panorama de los agujeros negros, los objetos que pueden albergar y la forma en que se forman.
En un estudio publicado en la revista Nature, físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y del Instituto Tecnológico de California (Caltech), en Estados Unidos, informan de que han observado un triple agujero negro por primera vez.
Una estrella que orbita el agujero negro por completo cada 70.000 años
El nuevo sistema mantiene 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 mayoría de los sistemas binarios. Pero sorprendentemente, una segunda estrella también parece estar dando vueltas alrededor del agujero negro, aunque a una distancia mucho mayor. Los físicos estiman que este compañero lejano orbita el agujero negro cada 70.000 años.
El hecho de que el agujero negro parezca tener un agarre gravitacional sobre un objeto tan lejano está planteando preguntas sobre los orígenes del agujero negro en sí. Se cree que estos objetos misteriosos se forman a partir de la violenta explosión de una estrella moribunda, un proceso conocido al de una supernova, por el cual una estrella libera una gran cantidad de energía y luz en un estallido final,antes de colapsar en un agujero negro invisible.
El descubrimiento del equipo, sin embargo, sugiere que si el agujero negro recién observado resultó de una supernova típica, la energía que pudo librar antes de colapsar habría expulsado cualquier objeto libre en sus afueras. La segunda estrella exterior, entonces, no debería seguir dando vueltas como si nada hubiera sucedido.
Un colapso con suavidad
En su lugar, el equipo sospecha que el agujero negro se formó a través de un proceso más suave de colapso directo, en el que una estrella simplemente se hunde sobre sí misma, lo que forma un agujero negro sin un último destello brutal. Un origen tan suave apenas perturbaría objetos lejanos y poco ligados.
Dado que el nuevo sistema triple incluye una estrella muy lejana, esto sugiere que el agujero negro del sistema nació a través de un colapso más suave y directo. Y, aunque los astrónomos llevan siglos observando supernovas más violentas, el equipo afirma que el nuevo sistema triple podría ser la primera prueba de un agujero negro que se formó a partir de este proceso más suave.
«Pensamos que la mayoría de los agujeros negros se forman a partir de explosiones violentas de estrellas, pero este descubrimiento ayuda a ponerlo en duda —afirma Kevin Burdge, autor del estudio y becario en el Departamento de Física del MIT. Y añade—: Este sistema es superemocionante para la evolución de los agujeros negros, y también plantea preguntas sobre si hay más triples ahí fuera».
Los coautores del estudio porcedentes del MIT son Erin Kara, Claude Cañizares, Deepto Chakrabarty, Anna Frebel, Sarah Millholland, Saul Rappaport, Rob Simcoe y Andrew Vanderburg. Kareem El-Badry, es la aportación del Caltech.
Movimiento en tándem
El descubrimiento del triple agujero negro se produjo casi por casualidad. Los físicos lo encontraron mientras buscaban en Aladin Lite, un repositorio de observaciones astronómicas, agregadas 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 a varias longitudes de onda de energía y luz.
El equipo había estado buscando en la Vía Láctea indicios de nuevos agujeros negros. Por curiosidad, Burdge revisó una imagen de V404 Cygni, un agujero negro situado a unos 8.000 años luz de la Tierra, que fue uno de los primeros objetos en confirmarse como tal, en 1992. Desde entonces, V404 Cygni se ha convertido en uno de los agujeros negros más estudiados, y ha sido documentado en más de 1.300 artículos científicos. Sin embargo, ninguno de esos estudios informaba de lo que Burdge y sus colegas observaron.
Al observar las imágenes ópticas de V404 Cygni, Burdge vio lo que parecían ser dos manchas de luz, sorprendentemente cercanas entre sí. La primera mancha era lo que otros determinaron que era el agujero negro y una estrella interior que orbitaba muy cerca. La estrella está tan cerca que desprende parte de su materia sobre el agujero negro y emite la luz que Burdge pudo ver.
Una segunda luz que sale a la luz
La segunda mancha de luz, sin embargo, era algo que los científicos no habían investigado a fondo, hasta ahora. Burdge determinó que esa segunda luz procedía probablemente de una estrella muy lejana.
«El hecho de que podamos ver dos estrellas separadas a tanta distancia significa que las estrellas tienen que estar muy separadas —afirma Burdge, que 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 3.500 veces más lejos del agujero negro que la Tierra del Sol. Esto equivale también a cien veces la distancia entre Plutón y el Sol.
La pregunta que surgió entonces fue si la estrella exterior estaba relacionada con el agujero negro y su estrella interior. Para responder a este interrogante, los investigadores recurrieron a Gaia, un satélite que ha seguido con precisión los movimientos de todas las estrellas de la galaxia desde 2014.
Movimientos en tándem
El equipo analizó los movimientos de las estrellas interiores y exteriores en los últimos diez 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 una entre 10 millones.
«Es casi seguro que no es una coincidencia o un accidente —dice Burdge. Y continúa—: Estamos viendo dos estrellas que se siguen entre sí, porque están unidas por esta débil cadena de gravedad. Así que esto tiene que ser un sistema triple».
«La estrella terciaria ha estado escondida a plena vista durante más de treinta años. Docenas de otros artículos han notado que hay otra estrella al lado de V404 Cygni en el cielo, pero todos asumieron que la estrella era una alineación casual —explica Kareem El-Badry, profesor de Astronomía en el Caltech. Y añade—: Solo con la astrometría precisa de la misión Gaia [de la Agencia Espacial Europea] quedó claro que la estrella está en realidad a la misma distancia y se mueve en la misma dirección que V404 Cygni, lo que significa que está ligada gravitacionalmente a ella».
El enigma de sus orígenes
¿Cómo, entonces, se formó el sistema? Si el agujero negro surgió de una supernova típica, la violenta explosión habría expulsado a la estrella exterior hace mucho tiempo.
«Imagina que estás tirando de una cometa, y en lugar de estar sujeta con una cuerda fuerte, está atada a una telaraña —propone Burdge. Y añade—: Si tiras demasiado fuerte, la telaraña se rompe y pierdes la cometa. La gravedad es como una cuerda apenas atada que es muy débil, y si haces algo violento con el sistema binario interior, perderás la estrella exterior».
Kareem El-Badry, del Caltech, s uno de los descubridores del primer «agujero negro triple». Cortesía: Lance Hayashida/Caltech
Probando distintos escenarios
Sin embargo, para probar realmente esta idea, Burdge llevó a cabo simulaciones para ver cómo un sistema triple con esta configuración podría haber evolucionado y retenido la estrella exterior.
Al comienzo de cada simulación, Burdge presentó tres estrellas —la tercera fue el agujero negro, antes de que se convirtiera en él—. Luego ejecutó 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 derrumbaba 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», afirma Burdge.
Un trío con 4.000 millones de años de edad
Además de dar pistas sobre los orígenes 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 casi al mismo tiempo, los investigadores concluyeron que el triple agujero negro también tiene esta misma edad
«Nunca antes habíamos podido hacer esto para un agujero negro viejo —afirma Burdge. Y concluye—: 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». ▪️
Artículo publicado con la autorización de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Burdge, K. B., El-Badry, K., Kara, E. et al. The black hole low-mass X-ray binary V404 Cygni is part of a wide triple. Nature (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08120-6
