En los últimos años, finalmente capturamos fotos reales de estas temibles criaturas y medimos las ondas gravitacionales (ondas en el espacio-tiempo) que crean cuando chocan. Pero todavía hay mucho que no sabemos sobre los agujeros negros. Uno de los mayores enigmas es exactamente cómo se forman en primer lugar.
Mis colegas y yo ahora creemos que hemos observado este proceso, proporcionando algunas de las mejores indicaciones hasta ahora de lo que sucede exactamente cuando se forma un agujero negro. Nuestros resultados se publican en dos artículos en Nature y Astrophysical Journal.
Los astrónomos creen, tanto por motivos de observación como teóricos, que la mayoría de los agujeros negros se forman cuando el centro de una estrella masiva colapsa al final de su vida. El núcleo de la estrella normalmente proporciona presión, o soporte, utilizando el calor de intensas reacciones nucleares. Pero una vez que se agota el combustible de una estrella y se detienen las reacciones nucleares, las capas internas de la estrella colapsan hacia adentro bajo la gravedad, aplastando hasta densidades extraordinarias.
La mayoría de las veces, este colapso catastrófico se detiene cuando el núcleo de la estrella se condensa en una esfera sólida de materia, rica en partículas llamadas neutrones. Esto conduce a una poderosa explosión de rebote que destruye la estrella (una supernova) y deja atrás un objeto exótico conocido como estrella de neutrones. Pero los modelos de estrellas moribundas muestran que si la estrella original es lo suficientemente masiva (40-50 veces la masa del sol), el colapso simplemente continuará sin cesar hasta que la estrella sea aplastada en una singularidad gravitacional: un agujero negro.
Teorías explosivas
Si bien las estrellas que colapsan para formar estrellas de neutrones ahora se observan de forma rutinaria en todo el universo (las encuestas de supernovas encuentran docenas de nuevas cada noche), los astrónomos aún no están completamente seguros de lo que sucede durante el colapso de un agujero negro. Algunos modelos pesimistas sugieren que toda la estrella sería tragada sin dejar rastro. Otros proponen que el colapso de un agujero negro produciría algún otro tipo de explosión.
Por ejemplo, si la estrella está girando en el momento del colapso, parte del material que cae puede concentrarse en chorros que escapan de la estrella a alta velocidad. Si bien estos chorros no contendrían mucha masa, darían un gran golpe: si chocaran contra algo, los efectos podrían ser bastante dramáticos en términos de la energía liberada.
Hasta ahora, el mejor candidato para una explosión por el nacimiento de un agujero negro ha sido el extraño fenómeno conocido como estallidos de rayos gamma de larga duración. Descubiertos por primera vez en la década de 1960 por satélites militares, se ha planteado la hipótesis de que estos eventos son el resultado de chorros acelerados a velocidades alucinantes por agujeros negros recién formados en estrellas que colapsan. Sin embargo, un problema de larga data con este escenario es que los estallidos de rayos gamma también expulsan abundantes desechos radiactivos que continúan brillando durante meses. Esto sugiere que la mayor parte de la estrella explotó hacia el espacio exterior (como en una supernova ordinaria), en lugar de colapsar hacia el interior en un agujero negro.
Si bien esto no significa que no se haya formado un agujero negro en tal explosión, algunos han llegado a la conclusión de que otros modelos proporcionan una explicación más natural para los estallidos de rayos gamma que la formación de un agujero negro. Por ejemplo, una estrella de neutrones supermagnetizada podría formarse en una explosión de este tipo y producir sus propios chorros potentes.
¿Misterio resuelto?
Sin embargo, mis colegas y yo descubrimos recientemente un nuevo y (en nuestra opinión) evento candidato mucho mejor para crear un agujero negro. En dos ocasiones distintas en los últimos tres años, una en 2019 y otra en 2021, fuimos testigos de un tipo de explosión excepcionalmente rápida y fugaz que, al igual que en los estallidos de rayos gamma, se originó a partir de una pequeña cantidad de material que se movía muy rápido. en gas en su entorno inmediato.
Mediante el uso de la espectroscopia, una técnica que descompone la luz en diferentes longitudes de onda, pudimos inferir la composición de la estrella que explotó para cada uno de estos eventos. Descubrimos que el espectro era muy similar a las llamadas “estrellas Wolf-Rayet”, un tipo de estrella muy masiva y altamente evolucionada, que lleva el nombre de los dos astrónomos, Charles Wolf y Georges Rayet, que las detectaron por primera vez. Emocionantemente, incluso pudimos descartar una explosión de supernova “normal”. Tan pronto como cesó la colisión entre el material rápido y su entorno, la fuente prácticamente desapareció, en lugar de brillar durante mucho tiempo.
Esto es exactamente lo que esperaría si, durante el colapso de su núcleo, la estrella expulsara solo una pequeña cantidad de material y el resto del objeto colapsara hacia abajo en un enorme agujero negro.
Si bien esta es nuestra interpretación favorita, no es la única posibilidad. La más prosaica es que fue una explosión de supernova normal, pero que se formó una gran capa de polvo en la colisión, ocultando los restos radiactivos de la vista. También es posible que la explosión sea de un tipo nuevo y desconocido, que se origine en una estrella con la que no estamos familiarizados.
Para responder a estas preguntas, tendremos que buscar más objetos de este tipo. Hasta ahora este tipo de explosiones han sido difíciles de estudiar porque son fugaces y difíciles de encontrar. Tuvimos que usar varios observatorios juntos en rápida sucesión para caracterizar estas explosiones: la Instalación Transitoria Zwicky para descubrirlas, el Telescopio Liverpool y el Telescopio Óptico Nórdico para confirmar su naturaleza, y grandes observatorios de alta resolución (el Telescopio Espacial Hubble, el Observatorio Gemini , y el Very Large Telescope) para analizar su composición.
Si bien inicialmente no sabíamos exactamente lo que estábamos viendo cuando descubrimos estos eventos por primera vez, ahora tenemos una hipótesis clara: el nacimiento de un agujero negro.
Más datos de eventos similares pronto podrán ayudarnos a verificar o falsificar esta hipótesis y establecer el vínculo con otros tipos de explosiones rápidas e inusuales que nuestro equipo y otros han estado encontrando. De cualquier manera, parece que esta es realmente la década en la que desciframos los misterios de los agujeros negros.
