Un equipo internacional de astrónomos ha utilizado más de 500 imágenes del Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA, que abarcan dos décadas, para detectar siete estrellas de movimiento rápido en la región más interna de Omega Centauri, el cúmulo globular más grande y brillante del cielo. Estas estrellas proporcionan nuevas pruebas convincentes de la presencia de un agujero negro de masa intermedia.
Los agujeros negros de masa intermedia (IMBH, por sus siglas en inglés) son un "eslabón perdido" largamente buscado en la evolución de los agujeros negros. Hasta la fecha, solo se han encontrado unos pocos candidatos a IMBH. La mayoría de los agujeros negros conocidos son extremadamente masivos, como los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los núcleos de grandes galaxias, o relativamente ligeros, con una masa inferior a 100 veces la del Sol. Los agujeros negros son uno de los entornos más extremos que conocemos, y son un campo de pruebas para las leyes de la física y nuestra comprensión de cómo funciona el Universo. Si existen los IMBH, ¿qué tan comunes son? ¿Crecen los agujeros negros supermasivos a partir de un IMBH? ¿Cómo se forman los IMBH? ¿Son los cúmulos estelares densos su hogar preferido?
Omega Centauri es visible desde la Tierra a simple vista y es uno de los objetos celestes favoritos para los observadores de estrellas en el hemisferio sur. Aunque el cúmulo está a 17.700 años luz de distancia, ubicado justo por encima del plano de la Vía Láctea, parece casi tan grande como la Luna llena cuando se ve desde una zona rural oscura. La clasificación exacta de Omega Centauri ha evolucionado a lo largo del tiempo, a medida que nuestra capacidad para estudiarlo ha mejorado. Fue incluido por primera vez en el catálogo de Ptolomeo hace casi dos mil años como una estrella única. Edmond Halley lo reportó como una nebulosa en 1677, y en la década de 1830, el astrónomo inglés John Herschel fue el primero en reconocerlo como un cúmulo globular.
Los cúmulos globulares típicamente consisten en hasta un millón de estrellas viejas, estrechamente unidas por la gravedad, y se encuentran tanto en las regiones periféricas como en las centrales de muchas galaxias, incluida la nuestra. Omega Centauri tiene varias características que lo distinguen de otros cúmulos globulares: rota más rápido que un cúmulo globular común y su forma es altamente achatada. Además, Omega Centauri es aproximadamente 10 veces más masivo que otros cúmulos globulares grandes, casi tan masivo como una pequeña galaxia.
Omega Centauri consta de aproximadamente 10 millones de estrellas unidas gravitacionalmente. Un equipo internacional ha creado ahora un enorme catálogo de los movimientos de estas estrellas, midiendo las velocidades de 1,4 millones de estrellas al estudiar más de 500 imágenes del Hubble del cúmulo. La mayoría de estas observaciones estaban destinadas a calibrar los instrumentos del Hubble en lugar de para uso científico, pero resultaron ser una base de datos ideal para los esfuerzos de investigación del equipo. El extenso catálogo, que es el más grande de movimientos de cualquier cúmulo estelar hasta la fecha, estará disponible abiertamente.
“Hemos descubierto siete estrellas que no deberían estar allí”, explicó Maximilian Häberle del Instituto Max Planck de Astronomía en Alemania, quien dirigió esta investigación. “Se mueven tan rápido que deberían escapar del cúmulo y no volver nunca más. La explicación más probable es que un objeto muy masivo las está atrayendo gravitacionalmente y manteniéndolas cerca del centro. El único objeto que puede ser tan masivo es un agujero negro, con una masa al menos 8200 veces la de nuestro Sol.”
Varios estudios han sugerido la presencia de un IMBH en Omega Centauri. Sin embargo, otros estudios propusieron que la masa podría deberse a un cúmulo central de agujeros negros de masa estelar, y habían sugerido que la falta de estrellas de movimiento rápido por encima de la velocidad de escape necesaria hacía que un IMBH fuera menos probable en comparación.
“Este descubrimiento es la evidencia más directa hasta ahora de un IMBH en Omega Centauri”, agregó la líder del equipo Nadine Neumayer, también del Instituto Max Planck de Astronomía, quien inició el estudio con Anil Seth de la Universidad de Utah en Estados Unidos. “Esto es emocionante porque hay muy pocos otros agujeros negros conocidos con una masa similar. El agujero negro en Omega Centauri puede ser el mejor ejemplo de un IMBH en nuestro vecindario cósmico.”
Si se confirma, a su distancia de 17.700 años luz, el agujero negro candidato se encuentra más cerca de la Tierra que el agujero negro de 4,3 millones de masas solares en el centro de la Vía Láctea, que está a 26.000 años luz de distancia. Además del centro galáctico, también sería el único caso conocido de varias estrellas estrechamente unidas a un agujero negro masivo.
El equipo de ciencia ahora espera caracterizar el agujero negro. Si bien se cree que mide al menos 8200 masas solares, su masa exacta y su posición precisa no se conocen completamente. El equipo también tiene la intención de estudiar las órbitas de las estrellas de movimiento rápido, lo que requiere mediciones adicionales de las respectivas velocidades en la línea de visión. El equipo ha obtenido tiempo con el Telescopio Espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA para hacer precisamente eso, y también tiene otras propuestas pendientes para utilizar otros observatorios.
Omega Centauri también fue una característica reciente de un nuevo lanzamiento de datos de la misión Gaia de la ESA, que contenía más de 500.000 estrellas. “Incluso después de 30 años, el Telescopio Espacial Hubble con sus instrumentos de imagen sigue siendo una de las mejores herramientas para la astrometría de alta precisión en campos estelares densos, regiones donde el Hubble puede proporcionar una sensibilidad adicional a las observaciones de la misión Gaia de la ESA”, compartió Mattia Libralato, miembro del equipo del Instituto Nacional de Astrofísica en Italia (INAF), y anteriormente de AURA para la Agencia Espacial Europea durante el tiempo de este estudio. “Nuestros resultados muestran la alta resolución y sensibilidad del Hubble, que nos están dando nuevos conocimientos científicos emocionantes y darán un nuevo impulso al tema de los IMBH en cúmulos globulares.”
Los resultados se han publicado hoy en línea en la revista Nature.
Häberle, M., Neumayer, N., Seth, A. et al. Fast-moving stars around an intermediate-mass black hole in ω Centauri. Nature 631, 285–288 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07511-z