Los astrónomos estiman que 100 millones de agujeros negros deambulan entre las estrellas de nuestra galaxia, la Vía Láctea, pero nunca han identificado de manera concluyente un agujero negro aislado. Después de seis años de observaciones meticulosas, el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA ha proporcionado, por primera vez, evidencia directa de un agujero negro solitario a la deriva a través del espacio interestelar mediante una medición precisa de la masa del objeto fantasma. Hasta ahora, todas las masas de agujeros negros se han inferido estadísticamente o a través de interacciones en sistemas binarios o en los núcleos de galaxias. Los agujeros negros de masa estelar generalmente se encuentran con estrellas compañeras, lo que hace que esta sea inusual.
Esta es la impresión artística de un agujero negro a la deriva a través de nuestra galaxia, la Vía Láctea. El agujero negro es el remanente aplastado de una estrella masiva que explotó como una supernova. El núcleo sobreviviente es varias veces la masa de nuestro Sol. El agujero negro atrapa la luz debido a su intenso campo gravitatorio. El agujero negro distorsiona el espacio a su alrededor, lo que deforma las imágenes de estrellas de fondo alineadas casi directamente detrás de él. Este efecto gravitacional de “lente” ofrece la única evidencia reveladora de la existencia de agujeros negros solitarios vagando por nuestra galaxia, de los cuales puede haber una población de 100 millones. El Telescopio Espacial Hubble va a la caza de estos agujeros negros buscando distorsión en la luz de las estrellas a medida que los agujeros negros se desplazan frente a las estrellas de fondo. Crédito:ESA/Hubble, Digitized Sky Survey, Nick Risinger (skysurvey.org), N. Bartmann
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El agujero negro errante recién 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 de masa estelar aislado más cercano a la Tierra podría estar tan cerca como a 80 años luz de distancia. La estrella más cercana a nuestro sistema solar, Proxima Centauri, está a poco más de 4 años luz de distancia.
Los agujeros negros que deambulan por nuestra galaxia nacen de estrellas raras y monstruosas (menos de una milésima parte de la población estelar de la galaxia) que son al menos 20 veces más masivas que nuestro Sol. Estas estrellas explotan como supernovas, y el núcleo remanente es aplastado por la gravedad en un agujero negro. Debido a que la autodetonación no es perfectamente simétrica, el agujero negro puede recibir una patada e ir a través de nuestra galaxia como una bala de cañón disparada.
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Los telescopios no pueden fotografiar un agujero negro descarriado porque no emite luz. Sin embargo, un agujero negro deforma el espacio, que luego desvía y amplifica la luz de las estrellas de cualquier cosa que se alinee momentáneamente exactamente detrás de él.
Los telescopios terrestres, que monitorean el brillo de millones de estrellas en los ricos campos estelares hacia la protuberancia central de nuestra Vía Láctea, buscan un brillo repentino revelador de una de ellas cuando un objeto masivo pasa entre nosotros y la estrella. Luego, Hubble hace un seguimiento de los eventos más interesantes de este tipo.
Dos equipos utilizaron datos del Hubble en sus investigaciones: uno dirigido por Kailash Sahu del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland; y el otro 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 deformación del espacio debido a la gravedad de un objeto en primer plano que pasa frente a una estrella ubicada muy detrás de ella doblará y amplificará momentáneamente la luz de la estrella de fondo a medida que pasa frente a ella. Los astrónomos utilizan el fenómeno, llamado microlente gravitacional, para estudiar estrellas y exoplanetas en los aproximadamente 30.000 eventos vistos hasta ahora dentro de nuestra galaxia.
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La firma de un agujero negro en primer plano se destaca como única entre otros eventos de microlente. La gravedad muy intensa del agujero negro extenderá la duración del evento de lente durante más de 200 días. Además, si el objeto intermedio fuera en cambio una estrella en primer plano, causaría un cambio de color transitorio en la luz de las estrellas medida porque la luz de las estrellas en primer plano y de fondo se mezclaría momentáneamente. Pero no se vio ningún cambio de color en el evento del agujero negro.
A continuación, se utilizó el Hubble para medir la cantidad de desviación de la imagen de la estrella de fondo por el agujero negro. El Hubble es capaz de la extraordinaria precisión necesaria para tales mediciones. La imagen de la estrella se desvió de donde normalmente estaría en aproximadamente un milisegundo de arco. Eso es equivalente a medir la altura de un humano adulto acostado en la superficie de la luna desde la Tierra.
Esta técnica de microlente astrométrico proporcionó información sobre la masa, la distancia y la velocidad del agujero negro. La cantidad de desviación por la intensa deformación del espacio del agujero negro permitió al equipo de Sahu estimar que pesa siete masas solares.
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El equipo de Lam informa un rango de masa ligeramente más bajo, lo que significa que el objeto puede ser una estrella de neutrones o un agujero negro. Estiman que la masa del objeto compacto invisible es 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 extremo inferior, sería una estrella de neutrones.
“Por mucho que nos gustaría decir que es definitivamente un agujero negro, debemos informar de todas las soluciones permitidas. Esto incluye tanto agujeros negros de menor masa como 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 vagando por la galaxia, sin la compañía de otra estrella”, agregó Lam.
Esta fue una medición particularmente difícil para el equipo porque hay otra estrella brillante que está extremadamente cerca en separación angular de la estrella fuente. “Así que es como tratar de medir el pequeño movimiento de una luciérnaga junto a una bombilla brillante”, dijo Sahu. “Tuvimos que restar meticulosamente la luz de la estrella brillante cercana para medir con precisión la desviación de la débil fuente“.
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El equipo de Sahu estima que el agujero negro aislado está viajando a través de la galaxia a 160.000 kilómetros por hora (lo suficientemente rápido como para viajar de la Tierra a la Luna en menos de tres horas). Eso es más rápido que la mayoría de las otras estrellas vecinas en esa región de nuestra galaxia.
“La microlente astrométrica es conceptualmente simple pero observacionalmente muy dura”, dijo Sahu. “La microlente es la única técnica disponible para identificar agujeros negros aislados“. Cuando el agujero negro pasó frente a una estrella de fondo ubicada a 19.000 años luz de distancia en la protuberancia galáctica, la luz estelar que venía hacia la Tierra se amplificó durante 270 días a medida que pasaba el agujero negro. Sin embargo, se necesitaron varios años de observaciones del Hubble para seguir cómo la posición de la estrella de fondo parecía ser desviada por la flexión de la luz por el agujero negro en primer plano.
La existencia de agujeros negros de masa estelar se conoce desde principios de la década de 1970, pero todas sus mediciones de masa, hasta ahora, han sido en sistemas estelares binarios. El gas de la estrella compañera cae en el agujero negro y se calienta a temperaturas tan altas que emite rayos X. Alrededor de dos docenas de agujeros negros han medido sus masas en binarios de rayos X a través de su efecto gravitacional sobre sus compañeros. Las estimaciones de masa oscilan entre 5 y 20 masas solares. Los agujeros negros detectados en otras galaxias por ondas gravitacionales de fusiones entre agujeros negros y objetos compañeros han sido tan altos como 90 masas solares.
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“Las detecciones de agujeros negros aislados proporcionarán nuevos conocimientos sobre la población de estos objetos en la Vía Láctea”, dijo Sahu. Espera que su programa descubra más agujeros negros de libre circulación dentro de nuestra galaxia. Pero es una búsqueda de aguja en un pajar. La predicción es que solo uno de cada unos pocos cientos de eventos de microlente son causados por agujeros negros aislados.
En su artículo de 1916 sobre la relatividad general, Albert Einstein predijo que su teoría podría probarse observando el desplazamiento en la posición aparente de una estrella de fondo causada por la gravedad del Sol. Esto fue probado por una colaboración dirigida por los astrónomos Arthur Eddington y Frank Dyson durante un eclipse solar el 29 de mayo de 1919. Eddington y sus colegas midieron una estrella de fondo que se compensaba en 2 segundos de arco, validando las teorías de Einstein. Estos científicos difícilmente podrían haber imaginado que más de un siglo después se utilizaría esta misma técnica, con una mejora mil veces inimaginable en la precisión, para buscar agujeros negros en toda nuestra galaxia.
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Referencias:
