Representación artística de un agujero negro solitario con la Vía Láctea de fondo, curvando el espacio y distorsionando la luz de fondo. Crédito:ESA/Hubble, DSS, Nick Risinger (skysurvey.org), N. Bartmann.
Los astrónomos estiman que 100 millones de agujeros negros deambulan entre las estrellas en la Vía Láctea, pero nunca habían identificado un agujero negro solitario de manera concluyente. Después de seis años de meticulosas observaciones, el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA ha proporcionado, por primera vez, evidencia directa de un agujero negro recorriendo el espacio interestelar mediante la medición precisa de su masa. Hasta ahora, todas las masas de agujeros negros han sido inferidas estadísticamente o a través de interacciones en sistemas binarios o en los centros de galaxias. Generalmente, los agujeros negros de masa estelar son encontrados con estrellas compañeras, lo que hace a este poco usual.
El agujero negro errante recientemente detectado se encuentra a unos 5.000 años luz de distancia, en el brazo espiral Carina-Sagitario de nuestra galaxia. Sin embargo, su descubrimiento permite a los astrónomos estimar que el agujero negro solitario de masa estelar más cercano a la Tierra podría estar a unos 80 años luz de distancia. La estrella más cercana al Sistema Solar, Próxima Centauri, está a poco más de 4 años luz.
Los agujeros negros que deambulan por nuestra galaxia nacen de raras estrellas monstruo (menos de una milésima parte de la población estelar de la galaxia) al menos 20 veces más masivas que el Sol. Estas estrellas explotan como supernovas y el núcleo remanente colapsa por la gravedad convirtiéndose en un agujero negro. Dado que la explosión no es perfectamente simétrica, el agujero negro puede ser impulsado y viajar por la galaxia.
Los telescopios no pueden fotografiar un agujero negro en movimiento porque no emiten luz. No obstante, un agujero negro distorsiona el espacio, lo que puede desviar y amplificar la luz estelar de algo que momentáneamente se encuentre detrás.
Los telescopios terrestres, que monitorean el brillo de millones de estrellas en los ricos campos estelares hacia el bulbo central de la Vía Láctea, buscan un brillo repentino delator de uno de ellos cuando un objeto masivo pasa entre nosotros y la estrella. Luego, Hubble hace un seguimiento a los eventos más interesantes.
Dos equipos utilizaron datos de Hubble en sus investigaciones; uno liderado por Kailash Sahu del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial (Baltimore, Maryland) y el otro dirigido por Casey Lam de la Universidad de California (Berkeley). Los resultados de los equipos difieren ligeramente, pero ambos sugieren la presencia de un objeto compacto.
La distorsión del espacio debido a la gravedad de un objeto en primer plano que pasa frente a una estrella que se encuentra mucho más atrás curvará y amplificará momentáneamente la luz de la estrella de fondo cuando pasa frente a ella. Los astrónomos usan el fenómeno, llamado microlente gravitacional, para estudiar las estrellas y exoplanetas en los aproximadamente 30.000 eventos vistos hasta ahora dentro de nuestra galaxia.
La firma de un agujero negro en primer plano resalta como única entre otros eventos de microlente. La gravedad muy intensa del agujero negro extenderá la duración del evento de lente durante 200 días. Además, si el objeto interviniente fuera en su lugar una estrella en primer plano, causaría un cambio transitorio del color de la luz estelar al ser medida debido a que la luz de las estrellas en primer plano y en el fondo se mezclarían momentáneamente. Pero no se observó ningún cambio de color en el evento.
A continuación, el Hubble fue usado para medir la cantidad de deformación de la imagen de la estrella de fondo. Hubble tiene la extraordinaria precisión necesaria para tales mediciones. La imagen de la estrella se ve desplazada de donde normalmente estaría durante aproximadamente un miliarcosegundo. Eso es equivalente a medir desde la Tierra la altura de un humano adulto que se encuentre en la superficie de la Luna.
Campo de estrellas observado por el telescopio Hubble. Al pasar un objeto masivo frente a una estrella de fondo, la curvatura del espacio causa un aumento aparente y momentáneo del brillo de la estrella, como fue captado por el Hubble en agosto de 2011. Crédito: NASA, ESA, K. Sahu (STScI), J. DePasquale (STScI).
Esta técnica de astrometría de microlente proporcionó información acerca de la masa, distancia y velocidad del agujero negro. La cantidad de desviación por la intensa deformación del espacio causada por el agujero negro permitió al equipo de Sahu estimar que pesa siete masas solares.
El equipo de Lam informa un rango de masa ligeramente menor, lo que significa que el objeto puede ser una estrella de neutrones o un agujero negro. Ellos estiman que la masa del objeto compacto invisible es de entre 1,6 y 4,4 veces la del Sol. En el extremo superior de este rango, el objeto sería un agujero negro; en el inferior, una estrella de neutrones.
“Por mucho que nos gustaría decir que definitivamente es un agujero negro, debemos informar todas las soluciones permitidas. Esto incluye agujeros negros de masa inferior y posiblemente incluso una estrella de neutrones”, dijo Jessica Lu del equipo de Berkeley.
“Sea lo que sea, el objeto es el primer remanente estelar oscuro descubierto deambulando a través de la galaxia, sin la compañía de otra estrella”, agregó Lam.
Esta fue una medición particularmente difícil para el equipo debido a que hay otra estrella brillante que se encuentra extremadamente cerca en separación angular de la estrella fuente. “Así que es como intentar medir el diminuto movimiento de una luciérnaga cerca de una lámpara brillante”, dijo Sahu. “Tuvimos que sustraer meticulosamente la luz de la estrella brillante cercana para medir con precisión la desviación de la fuente débil”.
El equipo de Sahu estima que el agujero negro solitario viaja a través de la galaxia a 160.000 km/h (lo suficientemente rápido para viajar de la Tierra a la Luna en menos de tres horas). Eso es más rápido que la mayoría de las otras estrellas cercanas en esa región de la galaxia.
“La astrometría con microlente es conceptualmente simple, pero observacionalmente muy difícil. El microlente es la única técnica disponible para identificar agujeros negros solitarios”, dijo Sahu. Cuando el agujero negro pasó frente a una estrella de fondo ubicada a 19.000 años luz de distancia en el bulbo galáctico, la luz estelar que se dirigía a la Tierra fue amplificada por una duración de 270 días mientras que pasaba el agujero negro. Sin embargo, tomó varios años de observaciones del Hubble seguir cómo la posición de la estrella de fondo parecía ser desviada por la curvatura de la luz.
La existencia de los agujeros negros de masa estelar ha sido conocida desde comienzos de la década de 1970, pero todas sus mediciones de masa –hasta ahora– habían sido en sistemas binarios. El gas de la estrella compañera cae en el agujero negro y es calentado a temperaturas tan altas que emite rayos X. Se ha medido la masa de alrededor de dos docenas de agujeros negros en binarias de rayos X a través de su efecto gravitacional sobre sus compañeras. Las estimaciones de masa van de 5 a 20 masas solares. Los agujeros negros detectados en otras galaxias por las ondas gravitacionales de fusiones entre agujeros negros y objetos compañeros han sido de hasta 90 masas solares.
“Las detecciones de agujeros negros solitarios proporcionarán nuevos conocimientos sobre la población de estos objetos en la Vía Láctea”, dijo Sahu. Él espera que su programa descubra más agujeros negros errantes dentro de nuestra galaxia. Pero es buscar una aguja en un pajar. La predicción es que solo uno de cientos de eventos de microlente es causado por un agujero negro solitario.
En su artículo de 1916 sobre la relatividad general, Albert Einstein predijo que su teoría podría ser probada al observar la desviación en la posición aparente de una estrella de fondo causada por la gravedad del Sol. Esto fue probado por una colaboración liderada por los astrónomos Arthur Eddington y Frank Dyson durante un eclipse solar el 29 de mayo de 1919. Eddington y sus colaboradores midieron una estrella de fondo siendo desviada por 2 arcosegundos, validando las teorías de Einstein. Estos científicos difícilmente podrían haber imaginado que un siglo después esa misma técnica sería usada –con una mejora de precisión entonces inimaginable– para buscar agujeros negros a través de nuestra galaxia.
El artículo “An Isolated Stellar-Mass Black Hole Detected Through Astrometric Microlensing” fue aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal.
El artículo “An isolated mass gap black hole or neutron star detected with astrometric microlensing” fue aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal Letters.
Fuente: ESA/Hubble
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