Encuentran el agujero negro masivo más cercano a la Tierra

Las estrellas de rápido movimiento recientemente identificadas en el cúmulo de estrellas Omega Centauri proporcionan evidencia sólida de la existencia de un agujero negro central en el cúmulo de estrellas. Con al menos 8.200 masas solares, es el mejor candidato para una clase de agujeros negros que los astrónomos han creído durante mucho tiempo que existen: agujeros negros de masa intermedia, formados en las primeras etapas de la evolución de las galaxias.

El descubrimiento refuerza el argumento de que Omega Centauri es la región central de una galaxia que fue engullida por la Vía Láctea hace miles de millones de años. Despojado de sus estrellas exteriores, el núcleo de esa galaxia ha permanecido «congelado en el tiempo» desde entonces. El estudio ha sido publicado en la revista Nature.

Omega Centauri es una espectacular colección de alrededor de 10 millones de estrellas, visibles como una mancha en el cielo nocturno desde las latitudes del sur. A través de un telescopio pequeño, no se diferencia de otros llamados cúmulos globulares: un conjunto esférico de estrellas, tan denso hacia el centro que resulta imposible distinguir las estrellas individuales.

Pero ahora un nuevo estudio, dirigido por Maximilian Häberle (Instituto Max Planck de Astronomía), confirma lo que los astrónomos sospechaban desde hacía tiempo: Omega Centauri contiene un agujero negro central.

El agujero negro parece ser el «eslabón perdido» entre sus parientes estelares y supermasivos: atrapado en una etapa intermedia de evolución, es considerablemente menos masivo que los agujeros negros típicos en los centros de las galaxias. Omega Centauri parece ser el núcleo de una pequeña galaxia separada cuya evolución se vio truncada cuando la Vía Láctea se la tragó.

Una variedad de masas de agujeros negros

En astronomía, los agujeros negros tienen diferentes rangos de masa. Los agujeros negros estelares, de entre una y varias docenas de masas solares, son bien conocidos, al igual que los agujeros negros supermasivos con masas de millones o incluso miles de millones de soles.

Nuestra imagen actual de la evolución de las galaxias postula que las primeras galaxias deberían haber tenido agujeros negros centrales de tamaño intermedio, que habrían crecido con el tiempo a medida que esas galaxias evolucionaron, engullendo galaxias más pequeñas (como lo ha hecho nuestra Vía Láctea) o fusionándose con galaxias más grandes.

Estos agujeros negros de tamaño mediano son muy difíciles de encontrar. Galaxias como nuestra Vía Láctea hace tiempo que superaron esa fase intermedia y ahora contienen agujeros negros centrales mucho más grandes.

Las galaxias que han permanecido pequeñas («galaxias enanas») son generalmente difíciles de observar. Con la tecnología disponible actualmente, las observaciones de sus regiones centrales que podrían detectar el agujero negro central son extremadamente desafiantes. Aunque hay candidatos prometedores, hasta ahora no se ha detectado definitivamente un agujero negro de masa intermedia.

Una galaxia (núcleo) congelada en el tiempo

Aquí es donde Omega Centauri es especial. Si alguna vez fue el núcleo de una galaxia separada, que luego se fusionó con la Vía Láctea y perdió todo menos su lote central de estrellas en el proceso, el núcleo galáctico restante y su agujero negro central estarían «congelados en el tiempo»: habría No habrá más fusiones y no habrá forma de que crezca el agujero negro central.

El agujero negro se conservaría en el tamaño que tenía cuando Omega Centauri fue tragado por la Vía Láctea, lo que permitiría vislumbrar el eslabón perdido entre los primeros agujeros negros de baja masa y los posteriores agujeros negros supermasivos.

Para comprobar esta hipótesis, es necesario detectar realmente un agujero negro central en Omega Centauri, una detección definitiva que hasta ahora había eludido a los astrónomos. Si bien había evidencia de modelos a gran escala del movimiento de las estrellas en el cúmulo, esa evidencia dejaba lugar a dudas: tal vez no había ningún agujero negro central.

Aguja en un pajar de archivo

Cuando Nadine Neumayer, líder de grupo del Instituto Max Planck de Astronomía, y Anil Seth de la Universidad de Utah diseñaron un proyecto de investigación destinado a mejorar la comprensión de la historia de la formación de Omega Centauri en 2019, se dieron cuenta de que había una oportunidad para resolver de una vez por todas la cuestión del agujero negro central del cúmulo: si pudieran identificar las estrellas que se mueven rápidamente alrededor de un agujero negro en el centro de Omega Centauri, esa sería la prueba proverbial, así como una forma de de medir la masa del agujero negro.

La ardua búsqueda pasó a ser tarea de Maximilian Häberle, Ph.D. Estudiante del Instituto Max-Planck de Astronomía. Häberle dirigió el trabajo de creación de un enorme catálogo de los movimientos de las estrellas en Omega Centauri, midiendo las velocidades de 1,4 millones de estrellas mediante el estudio de más de 500 imágenes del Hubble del cúmulo. La mayoría de estas imágenes se habían producido con el propósito de calibrar los instrumentos del Hubble más que para uso científico. Pero con sus vistas siempre repetidas de Omega Centauri, resultaron ser el conjunto de datos ideal para los esfuerzos de investigación del equipo.

Häberle dice: «Buscar estrellas de alta velocidad y documentar su movimiento era como buscar una aguja en un pajar». Pero al final Häberle no sólo consiguió el catálogo más completo del movimiento de las estrellas en Omega Centauri (publicado en un artículo aparte). También había encontrado no una, sino siete agujas en su pajar de archivo: siete estrellas reveladoras que se movían rápidamente en una pequeña región en el centro de Omega Centauri.

Descubriendo un agujero negro

Esas estrellas que se mueven rápidamente lo son debido a la presencia de una masa cercana concentrada. Para una sola estrella, sería imposible saber si es rápida porque la masa central es grande o porque la estrella está muy cerca de la masa central, o si la estrella simplemente está volando en línea recta, sin masa a la vista.

Pero siete de estas estrellas, con diferentes velocidades y direcciones de movimiento, permitieron a Häberle y sus colegas separar los diferentes efectos y determinar que hay una masa central en Omega Centauri, con una masa de al menos 8.200 soles. Las imágenes no indican ningún objeto visible en la ubicación inferida de esa masa central, como cabría esperar de un agujero negro.

El análisis más amplio no sólo permitió a Häberle determinar con precisión las velocidades de sus siete estrellas de alta velocidad. También redujo la ubicación de dónde se encuentra la región central, de tres meses luz de diámetro (en las imágenes, tres segundos de arco), dentro de Omega Centauri.

Además, el análisis proporcionó una tranquilidad estadística: una sola estrella de alta velocidad en la imagen podría ni siquiera pertenecer a Omega Centauri. Podría ser una estrella fuera del cúmulo que pasa justo detrás o delante del centro de Omega Centauri por casualidad. Las observaciones de siete de estas estrellas, por otro lado, no pueden ser pura coincidencia y no dejan lugar a más explicaciones que la de un agujero negro.

Por fin un agujero negro de masa intermedia

Neumayer dice: «Estudios anteriores habían suscitado preguntas críticas como: ‘¿Dónde están entonces las estrellas de alta velocidad?’ Ahora tenemos una respuesta y la confirmación de que Omega Centauri contiene un agujero negro de masa intermedia. A una distancia de unos 18.000 años luz, este es el ejemplo más cercano conocido de un agujero negro masivo».

El agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea se encuentra a una distancia de unos 27.000 años luz. Esta detección no sólo promete resolver el debate de una década sobre un agujero negro de masa intermedia en Omega Centauri. También proporciona el mejor candidato hasta el momento para la detección de un agujero negro de masa intermedia en general.

Tras sus hallazgos, Neumayer, Häberle y sus colegas planean ahora examinar con más detalle el centro de Omega Centauri. Ya cuentan con la aprobación para medir el movimiento de la estrella de alta velocidad hacia o desde la Tierra (velocidad de línea de visión) utilizando el Telescopio Espacial James Webb, y hay instrumentos futuros (GRAVITY+ en el VLT de ESO, MICADO en el Telescopio Extremadamente Grande). eso podría señalar posiciones estelares incluso con mayor precisión que el Hubble.

El objetivo a largo plazo es determinar cómo se aceleran las estrellas: cómo se curvan sus órbitas. Sin embargo, seguir esas estrellas una vez alrededor de toda su órbita, como en las observaciones ganadoras del Premio Nobel cerca del agujero negro en el centro de la Vía Láctea, es un proyecto para futuras generaciones de astrónomos.

La menor masa del agujero negro de Omega Centauri implica escalas de tiempo 10 veces mayores que las de la Vía Láctea: períodos orbitales de más de cien años.

Con información de Nature