Podría haber un agujero negro supermasivo en la Gran Nube de Magallanes lanzando estrellas a la Vía Láctea

Las primeras teorías sobre la existencia de estrellas hiperveloces se remontan a finales de los años 80. En 2005 se confirmaron los primeros descubrimientos. Las estrellas hiperveloces viajan mucho más rápido que las estrellas normales y, en ocasiones, pueden superar la velocidad de escape galáctica. Los astrónomos calculan que la Vía Láctea contiene unas 1.000 estrellas hiperveloces y nuevas investigaciones muestran que algunas de ellas se originan en la galaxia satélite de la Vía Láctea, la Gran Nube de Magallanes (LMC).

¿Tiene la LMC un agujero negro supermasivo (SMBH) que está expulsando algunas estrellas hiperveloces hacia la Vía Láctea?

La mayoría de las estrellas de la Vía Láctea viajan a unos 100 km/s, mientras que las estrellas hiperveloces pueden viajar a unos 1.000 km/s. La teoría establecida, respaldada por las pruebas existentes, dice que las estrellas hiperveloces se originan en el centro galáctico. Los astrónomos creen que proceden de sistemas estelares binarios que se acercan demasiado a Sgr. A*, el agujero negro supermasivo de la Vía Láctea.

En este escenario, una de las estrellas binarias es capturada por el agujero negro y la otra es expulsada como un agujero negro supermasivo. Esto se llama el mecanismo de Hills. De hecho, parte de la evidencia original que apoya la existencia de Sgr. A* se basaba en estrellas de rápido movimiento en el centro galáctico por el mecanismo de Hills.

Una nueva investigación enviada a The Astrophysical Journal muestra que una sorprendente cantidad de estrellas de rápido movimiento de la Vía Láctea no provienen del centro galáctico sino de la LMC. Se titula «Estrellas hiperveloces trazan un agujero negro supermasivo en la Gran Nube de Magallanes». El autor principal es Jiwon Han, un estudiante de posgrado en el Centro de Astrofísica de Harvard y Smithsonian que estudia arqueología galáctica, y está disponible en el servidor de preimpresión arXiv.

En 2006, los investigadores publicaron los resultados de un estudio de estrellas de rápido movimiento en la Vía Láctea. En ese estudio se detectaron 21 estrellas de secuencia principal de tipo B no ligadas en el halo exterior de la Vía Láctea. Sus propiedades eran consistentes con las estrellas expulsadas del centro galáctico por el mecanismo de Hills. En esta nueva investigación, los astrónomos volvieron a visitar estas estrellas. Contaron con una ayuda que no estaba disponible en 2006: la nave espacial Gaia de la ESA.

Gaia es nuestro superhéroe de medición de estrellas. Se encuentra en el punto L2 entre el Sol y la Tierra, donde mide 2 mil millones de objetos, en su mayoría estrellas, y rastrea sus posiciones y velocidades. Han y sus colegas volvieron a visitar las 21 estrellas de secuencia principal utilizando los movimientos propios proporcionados por Gaia. Gaia, una misión que ha impulsado un progreso sustancial en nuestra comprensión de la Vía Láctea, volvió a cumplir su promesa.

«Hemos descubierto que la mitad de los HVS no ligados descubiertos por el sondeo HVS no se remontan al centro galáctico, sino a la LMC», escriben Han y sus coautores.

Eso les motivó a investigar más a fondo. Los investigadores construyeron un modelo basado en estrellas simuladas que fueron expulsadas por un SMBH en la LMC. «Las distribuciones espaciales y cinemáticas predichas de los HVS simulados son notablemente similares a las distribuciones observadas», escriben los autores.

¿Podría haber otra causa raíz de los HSV? Las explosiones de supernovas pueden expulsar estrellas, y también las interacciones gravitacionales dinámicas. Estas no pueden explicarlas, según los autores. «Hemos descubierto que la tasa de nacimiento y la agrupación de los HVS de la LMC no se pueden explicar por supernovas fugitivas o escenarios de eyección dinámica que no impliquen un SMBH», explican los autores.

Una pieza clave de evidencia que apoya la existencia de un agujero negro en la LMC es una sobredensidad. Se trata de una región hacia la constelación de Leo que contiene una mayor densidad de estrellas que las regiones circundantes, llamada sobredensidad de Leo. Han y sus coinvestigadores afirman que su modelo también produce esta misma sobredensidad. Un SMBH con unas 600.000 masas solares en la LMC está arrojando estrellas a la Vía Láctea, algunas de las cuales son HVS y otras que ahora residen en la sobredensidad.

Su modelo muestra que casi todas las estrellas en la sobredensidad de Leo provienen de la LMC y su SMBH, lo que los autores describen como «un resultado curioso». Para entenderlo mejor, investigaron cómo funciona el mecanismo de Hills.

«Los principales ingredientes del mecanismo de Hills son: (1) la masa de la LMC, (2) las masas de las estrellas binarias, (3) las separaciones binarias antes de la disrupción de marea, (4) las distancias del pericentro de la órbita binaria alrededor del SMBH», escriben los autores. Estos son los datos de entrada del mecanismo de Hills, y los datos de salida son las probabilidades de eyección y las velocidades de las estrellas individuales.

Para las estrellas expulsadas, los investigadores integraron sus órbitas hacia adelante durante 400 millones de años para ver hacia dónde irían. «Finalmente ‘observamos’ la población resultante de estrellas del marco de reposo galáctico en la actualidad y aplicamos una función de selección para que coincida con las restricciones observacionales del sondeo HVS», escriben los autores.

Las implicaciones de esta investigación podrían ser de largo alcance. El pensamiento actual dice que todas las galaxias grandes contienen un agujero negro supermasivo, pero que las galaxias más pequeñas no. Hay algunas evidencias de que las galaxias más pequeñas pueden albergarlos, pero en galaxias enanas como la Gran Nube de Magallanes, por ejemplo, los agujeros negros pueden no ser lo suficientemente masivos como para ser considerados verdaderos agujeros negros supermasivos, dependiendo de dónde se encuentre el límite. Además, son más difíciles de detectar en galaxias enanas porque pueden no estar acumulando materia activamente.

Esta investigación cambia las cosas.

Muestra que la presencia de un agujero negro no genera agujeros negros supermasivos por sí sola; el movimiento de la galaxia también contribuye. Los estudios futuros de agujeros negros supermasivos deben considerar el movimiento galáctico.

El estudio también tiene ramificaciones para nuestra comprensión del crecimiento y la evolución de las galaxias. Si los astrofísicos no encuentran agujeros negros en galaxias más pequeñas, eso significa que nuestras teorías de la evolución galáctica probablemente carezcan de datos relevantes.

Más investigaciones sobre agujeros negros supermasivos tendrán en cuenta estos resultados. Los datos de Gaia pueden ayudar a encontrar más HVS cuando haya más información disponible en futuras publicaciones de datos. Eso significa más puntos de datos, algo que los científicos siempre están buscando. Con esos datos, los investigadores pueden construir modelos más detallados y desarrollar teorías más rigurosas sobre los HVS y cómo se generan.

Con información de arXiv