Descubren el hoyo negro más cercano a la Tierra; es diez veces más grande que el Sol.

Un agujero negro es una región finita del espacio - tiempo que contiene una concentración de masa lo suficientemente elevada como para generar un "Campo Gravitatorio" de tal forma, que ninguna partícula, ni siquiera de luz, puede escapar de él. Sin embargo, son capaces de emitir una radiación, que fue postulada en 1974 por Stephen Hawking (1942 - 2018), y por ello se le conoce como "Radiación de Hawking", describiendo las propiedades de tal radiación y obteniendo algunos de los primeros resultados en "Gravedad Cuántica".

El concepto de un cuerpo tan denso que ni siquiera la luz puede escapar de él fue descrito en un artículo enviado en el año 1783 a la "Royal Society" por el geólogo y clérigo John Michell (1724 -1793), y creo el concepto de "Estrella Oscura" en el contexto de la Teoría gravitacional Universal publicada en 1687 por Isaac Newton (1643 - 1727). El contexto en aquellos años oscilaba aún con los principios enmarcados en la Teoría de Newton, y el concepto conocido como "velocidad de escape" era muy conocido. En esas instancias Michell calculó que un cuerpo con una densidad quinientas veces mayor a la de nuestro Sol, pero con su mismoradio, esto es, mucho más masivo, tendría, en su superficie, una velocidad de escape igual a la de la luz y sería invisible.

Unos años después, en el mismo siglo XVIII , el matemático Pierre Simon Laplace (1749 - 1827), explicó en las dos primeras ediciones de su libro "Exposition du Systeme du Monde" similar idea, pero habrá de considerarse que en esos años la idea de que la luz era una "onda" sin masa, ganó aceptación generalizada. En el siglo Veinte, después de la Teoría de la Relatividad, todo el concepto newtoniano empezó a cambiar y fue Karl Schwarzschild (1873 - 1916), el que matemáticamente dio con las soluciones exactas a las ecuaciones de campo propuestas en la Relatividad, propiciando ideas teóricas adecuadas sobre la existencia y características de los agujeros negros. Julius Robert Oppenheimer (1904 - 1967), en 1939 predijo que una estrella masiva podría sufrir un colapso gravitatorio y, por tanto, los agujeros negros podrían ser formados en la naturaleza. En el año de 1967 Stephen Hawking y Roger Penrose (nacido el 8 de agosto de 1931), probaron que los agujeros negros son soluciones a las ecuaciones de Einstein y que en determinados casos no se podría impedir que se crease un agujero negro a partir de un colapso. La idea de agujero negro tomó fuerza con los avances científicos y experimentales que llevaron al descubrimiento de los "pulsares". Posteriormente en el año 1969, John Archibald Wheeler (1911 - 2009), acuñó el término "agujero negro" durante una reunión de cosmólogos en Nueva York, para designar lo que anteriormente se conocía como "estrella en colapso gravitatorio completo".

Recreación artística del agujero y su estrella, en la galaxia "Ofiuco". Fotografía de Ap.

Astrónomos descubrieron el hoyo negro conocido más cercano a la Tierra, a sólo un mil seiscientos años luz de distancia. La investigación enseguida descrita fue aceptada para su publicación en los Avisos Mensuales de la Royal Astronomical Society: Kareem El-Badry et al., "Una estrella similar al Sol orbitando un agujero negro".

Científicos reportaron que este agujero negro es diez veces más grande que nuestro Sol, y está tres veces más cerca que el que anteriormente se consideraba el más próximo a nosotros.

Fue identificado durante la observación del movimiento de la estrella que lo acompaña, que es muy similar a nuestro Sol, de tal forma que orbita el agujero casi la misma distancia que la Tierra gira alrededor del Sol. Para ello el equipo de científicos utilizó un método muy novedoso.Con ello encontraron el dato referente a su masa y calcularon la distancia que existe entre el agujero y nosotros.

El hoyo negro fue identificado inicialmente por medio de la Sonda Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA), señaló el director del proyecto el doctor en Astrofísica Karim El-Badry, del Instituto Max Plank de Astronomía (MPIA) y del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsoniano.

El-Badry y su equipo le dieron seguimiento a través del Observatorio Internacional Géminis en Hawai con el fin de confirmar sus hallazgos, los cuales fueron publicados en la revista "Monthly Notices", de la Real Sociedad Astronómica. Los investigadores de (MPIA) involucrados son: Kareem El-Badry (también de Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics y Harvard Society of Fellows); Hans-Walter Rix, Rhys Seeburger, Silvia Almada Monter y Jennifer Wojno.

Los investigadores no están seguros de cómo se formó el sistema en la Vía Láctea. Llamado Gaia BH1, se ubica en la Constelación Ofiuco, conocida como "el portador de la serpiente". Pero esperan que bajo el método utilizado este sea solamente el primero de muchos agujeros negros que se descubrirán en el futuro.

Fotografia de un "Hoyo Negro" supermasivo.Tomada de Nasa. jpl. Caltech.

Se estima que existen, algo así como cien millones de agujeros negros estelares en nuestra galaxia, la Vía Láctea, pero hasta ahora solo se ha detectado una pequeña fracción, de ellos, solamente algunos han sido detectados por detectores de ondas gravitacionales, que han medido casi un centenar de fusiones de agujeros negros estelares, produciendo datos adicionales sobre las masas de los agujeros negros.

De esas pocas docenas de agujeros negros estelares que se han detectado utilizando observaciones de telescopios, la mayoría orbita una estrella compañera lo suficientemente cerca como para que la gravedad del agujero negro extraiga gas hidrógeno de la estrella compañera a un llamado disco de acreción que rodea el agujero negro. El gas se calienta lo suficiente en el proceso como para emitir cantidades considerables de rayos X. Hay una veintena de "binarios de rayos X" conocidos de este tipo, con cincuenta objetos candidatos adicionales.

Ha habido varios intentos de encontrar también agujeros negros "quiescentes" en sistemas binarios: agujeros negros sin un disco emisor de rayos X. La herramienta de elección: espectros estelares, la descomposición similar al arco iris de la luz de la estrella, que contiene información sobre el movimiento de una estrella. Lo sabemos, por la vida cotidiana, por el "efecto Doppler" para el sonido: una ambulancia con una sirena a todo volumen sonará más aguda cuando venga hacia nosotros, y más grave una vez que nos haya pasado. Del mismo modo, la luz en los espectros estelares nos habla del movimiento de una estrella que se dirige  hacia nosotros o bien, se está alejando de nosotros, los corrimientos al azul o al rojo.

En los últimos años, ha habido varias afirmaciones de descubrimientos de agujeros negros inactivos que intentaron deducir la órbita de un binario y la masa de un compañero invisible exclusivamente a partir de espectros estelares. Sin embargo, todos menos uno de ellos, el descubrimiento en junio de 2022 del sistema binario VFTS 243, con El-Badry como coautor, han sido cuestionados o refutados por estudios de seguimiento. El problema clave: los espectros dan sólo una parte de la información sobre el movimiento estelar, y por lo tanto sobre la órbita y sobre la masa del compañero. La información que falta es una fuente fundamental de incertidumbre, para ello, es también donde la "Misión Astrométrica Gaia" (MAG) de la "European Space Agency" (ESA) establecerá auxilio.

Constelación Ophiuchus . Tomada de AlltheSky.com. Till Credner, Trabajo propio.

Ofiuco u Ophiuchus, también conocido como "El cazador de serpientes", es una de las 88 constelaciones modernas y una de las 48 listadas por Ptolomeo. Puede verse en ambos hemisferios entre los meses de abril a octubre por estar situada sobre el ecuador celeste.

Desde hace algunos años, ha habido esperanza de que la (MAG)  abra una nueva forma de detectar y caracterizar agujeros negros en sistemas estelares binarios al proporcionar información complementaria a lo que ofrecen los espectros estelares. Ello es consecuencia del diseño empleado en (MAG) para que pueda realizar mediciones ultraprecisas de la posición estelar. Esto incluye la capacidad de detectar el movimiento de una estrella visible en el cielo, y a partir de ahí deducir la presencia de un compañero invisible.

Este tipo de binario que contiene un agujero negro seguiría siendo muy raro, en comparación con el número total de binarios. Es por eso que, en este caso, el alcance de (MAG) es tan importante como la precisión de la encuesta: los datos de alta calidad para más de cien mil sistemas binarios tienen una buena oportunidad de encontrar la aguja en el pajar, el binario del agujero negro entre los muchos binarios ordinarios.

Cuando se publicó el lanzamiento de "datos 3 de Gaia" (Gaia DR3), el primero en contener los datos orbitales para sistemas binarios detectados con (MAG), a mediados de junio de 2022, Karim El-Badry, junto con Hans-Walter Rix que es el director de (MPIA), y sus colegas se dedicaron directamente a filtrar los datos en busca de posibles candidatos. Generalmente, a medida que dos objetos en un sistema binario orbitan entre sí, cada uno traza una pequeña elipse en el cielo. Gaia DR3 contiene datos de 168 mil sesenta cinco elipses diminutas, o partes de ellas.

Aplicando criterios de selección que eran particularmente propensos a seleccionar sistemas en los que una estrella luminosa es arrastrada por un compañero invisible con masa considerable, los investigadores redujeron su conjunto a seis posibles candidatos. 

Los seis candidatos merecían una mirada más cercana: con la ayuda de la información complementaria de las mediciones de velocidad radial derivadas del espectro de la estrella, dando información sobre el movimiento directamente hacia nosotros o lejos de nosotros. El hecho de que las velocidades radiales y las posiciones de Gaia sean dos caras de la misma moneda, por así decirlo, permite comprobaciones de consistencia cruciales.

Diagrama del esquema del horizonte de sucesos y la ergosfera. Tomado de Messer Woland vectorización: Perhelion. Trabajo propio, basado en: Archivo Ergosphere. svg.

El horizonte de sucesos es una superficie imaginaria de forma esférica que rodea a un agujero negro, en la cual la "velocidad de escape" necesaria para alejarse del mismo coincide con la velocidad de la luz. Por ello, ninguna cosa dentro de él, incluyendo los fotones, puede escapar debido a la atracción de un "campo gravitatorio" extremadamente intenso.

Utilizando los datos espectrales existentes disponibles en los archivos astronómicos, los astrónomos pudieron descartar tres de los candidatos de inmediato. En esos casos, los datos de velocidad radial disponibles contradecían rotundamente la reconstrucción de Gaia de la órbita binaria.

Otro candidato podría ser descartado por el mal ajuste de los datos de Gaia a la órbita reconstruida, con un período orbital tan largo que Gaia no debería haber sido capaz de medirlo en primer lugar. Un quinto candidato todavía está bajo consideración, a la espera de mediciones espectrales adicionales.

El candidato restante, "Gaia DR3 4373465352415301632", que los investigadores han denominado "Gaia BH1", encajaba muy bien: todos los datos disponibles eran consistentes, para mayor certeza, los astrónomos también realizaron observaciones específicas adicionales de "Gaia BH1": con el telescopio "Magellan Clay" de 6.5 metros de diámetro, ubicado en "Observatorio de Las Campanas", en Chile; el telescopio "Gemini-North" de 8.1 metros de diámetro, que se encuentra en el volcán Maunakea, en la isla de Hawái; el telescopio Keck I de 10 metros de diámetro, tercero entre los más grandes en el mundo y que se encuentra en el "Observatorio W. M. Keck", también el el volcán Maunakea; y, para la mayor parte de los nuevos puntos de datos, el telescopio "ESO/MPG" de 2.2 metros de diámetro que (MPIA) opera en el "Observatorio La Silla", en Chile, por intermediación del "Observatorio Europeo Austral" (ESO).

La reconstrucción orbital se mantuvo, "Gaia BH1" era un sistema con un objeto invisible con una masa de aproximadamente diez masas solares orbitando una estrella muy similar a nuestro propio Sol una vez cada 185.6 días. La distancia entre la estrella y la compañera es aproximadamente la misma que la distancia promedio Tierra-Sol. Si el objeto de diez masas solares fuera otra estrella, necesariamente sería mucho más brillante que su compañera. En cambio, ni Gaia ni las observaciones de seguimiento muestran ningún rastro de una segunda estrella.

Los datos de Gaia fueron cruciales para el nuevo descubrimiento. Por ello el doctor El-Badry va tan lejos como para decir: "Cientos de investigadores trabajaron para producir los productos de datos que utilizamos para encontrar el agujero negro Gaia BH1. Este descubrimiento no solo nos pertenece a nosotros, sino a la colaboración de Gaia".

Estadísticamente hablando, la cercanía implica que debería haber numerosos sistemas similares en toda la galaxia. Sin embargo, poner un número a los "numerosos" es difícil. Pero El-Badry y sus colegas estiman una probabilidad bastante buena de que el próximo gran lanzamiento de datos de Gaia DR4, que actualmente se espera que no sea antes de finales de 2025, debería permitir el descubrimiento de docenas de sistemas similares.

Karim El-Badry dice:  "Mirando hacia atrás en el descubrimiento. He estado buscando un sistema como Gaia BH1 durante los últimos cuatro años, probando todo tipo de métodos, pero ninguno de ellos funcionó. Ha sido eufórico ver que esta búsqueda finalmente da frutos. Parte de la razón por la que este proyecto es emocionante es que realmente no sabíamos nuestras posibilidades de encontrar algo en absoluto: las predicciones teóricas diferían en muchos órdenes de magnitud. Tener un objeto para analizar es una actualización importante desde cero, y ahora tenemos que trabajar para aprender todo lo que podamos de él, mientras nos preparamos para una muestra más grande en futuras versiones de datos de Gaia".

Acercándose hacia el agujero negro Gaia BH1. Antecedentes: región de la galaxia de la Vía Láctea; Panel 1: una imagen de la estrella orbitando el agujero negro; Panel 2: órbita reconstruida de la estrella; Panel 3: efectos relativistas de flexión de la luz que serían visibles si pudiéramos ver de cerca la estrella y el agujero negro. © T. Müller (MPIA), PanSTARRS DR1 (K. C. Chambers et al. 2016), ESA/Gaia/DPAC (CC BY-SA 3.0 IGO) Sociedad Max Plank, Ofixcina de Enlace para América Latina (11 Noviembre 2022).

Se concluye que (Gaia BH1) es un hallazgo espectacular, pero también desconcertante. Es difícil explicar cómo un sistema como este podría haberse formado en primer lugar. Específicamente, se esperaría que la estrella progenitora que más tarde se convirtió en un agujero negro tuviera una masa de al menos veinte masas solares, lo que significa que su vida útil habría sido muy corta, del orden de unos pocos millones de años. Si ambas estrellas se formaran al mismo tiempo, esta estrella masiva se habría convertido en una supergigante, hinchándose y engullendo el espacio mucho más allá de la órbita común de las estrellas, antes de que la otra estrella hubiera tenido tiempo de convertirse en una estrella adecuada que quema hidrógeno, es decir, "secuencia principal".

No está del todo claro cómo la estrella de masa solar pudo haber sobrevivido a ese episodio, terminando tan 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 deja escenarios de formación más inusuales. Por ejemplo, se especula que, las dos estrellas originales podrían haberse formado como parte de un cúmulo estelar. Inicialmente, habrían estado considerablemente más separados, por lo que la fase supergigante de la estrella masiva no habría perturbado la evolución de la estrella de masa solar. Los encuentros cercanos del sistema con estrellas adicionales en el cúmulo podrían haber cambiado más tarde la órbita a su tamaño actual mucho más pequeño.

Alternativamente, el sistema podría tener de hecho no dos, sino tres componentes: dos estrellas masivas en lugar de una, en órbita cercana entre sí, y la estrella de una masa solar orbitando el par masivo a una distancia mayor. Las dos estrellas masivas evitarían que la otra se convirtiera en supergigantes. En ese caso, el objeto de diez masas solares podría no ser un solo agujero negro, sino un par de agujeros negros en órbita cercana uno alrededor del otro. Dado que ese par orbital ejercería fuerzas gravitacionales ligeramente diferentes sobre la estrella de una masa solar, las observaciones futuras precisas podrían confirmar o descartar esa posibilidad.

Con todo, Gaia BH1 es al menos tres cosas en una:

es un descubrimiento emocionante del agujero negro conocido más cercano, menos de la mitad de distancia que cualquier agujero negro detectado anteriormente.

Es una promesa de futuros descubrimientos similares en los próximos años, pero

también un recordatorio aleccionador de los límites del conocimiento astronómico actual sobre la formación de sistemas estelares binarios o, más generalmente, múltiples.

Así entonces queda el panorama para este nuevo descubrimiento estelar, seguramente tendremos en el corto plazo nuevos resultados de las observaciones por medio de estos telescopios y el personal científico encargado de profundizar en su estudio. En la Machincuepa Cuántica se dará seguimiento a los trabajos posteriores.