Descubierto un agujero negro de masa estelar en un cúmulo globular.

El extraño comportamiento de una estrella revela la presencia de un solitario agujero negro oculto en un cúmulo gigante de estrellas.
Cúmulo globular NGC 3201 con anotaciones.

Utilizando el instrumento MUSE de ESO, instalado en el Very Large Telescope, en Chile, un equipo de astrónomos ha descubierto una estrella en el cúmulo NGC 3201 que se comporta de un modo muy extraño. Parece estar orbitando un agujero negro invisible con cerca de cuatro veces la masa del Sol. Se trataría del primer agujero negro con masa estelar inactivo de este tipo detectado en un cúmulo globular y el primero encontrado por la detección directa de su fuerza gravitacional. Este importante descubrimiento tiene una gran repercusión en nuestra comprensión de la formación de estos cúmulos de estrellas, agujeros negros y de los orígenes de eventos de ondas gravitacionales.

Los cúmulos globulares de estrellas son enormes esferas de decenas de miles de estrellas que orbitan a la mayoría de las galaxias. Se encuentran entre los sistemas estelares más viejos conocidos en el universo y datan de momentos muy cercanos al comienzo del crecimiento y evolución de la galaxia. Actualmente se sabe que más de 150 pertenecen a la Vía Láctea.

El instrumento MUSE.
Utilizando el instrumento MUSE, instalado en el Very Large Telescope de ESO, en Chile, se ha estudiado un cúmulo en particular, llamado NGC 3201 y situado en la constelación meridional de Vela. Un equipo dirigido por Benjamín Giesers (Universidad Georgia Augusta de Gotinga, Alemania) descubrió que una de las estrellas [1] de NGC 3201 se comporta de un modo muy extraño: se mueve hacia atrás y hacia delante a velocidades de varios cientos de miles de kilómetros por hora, con un patrón que se repite cada 167 días [2].

Benjamin Giesers estaba intrigado por el comportamiento de la estrella: "Orbitaba alrededor de algo totalmente invisible  que tenía una masa de más de cuatro veces la del Sol, ¡solo podía tratarse de un agujero negro! El primero de ellos encontrado en un cúmulo globular observando directamente su fuerza gravitacional".

La relación entre los agujeros negros y los cúmulos globulares es un asunto importante pero misterioso. Debido a sus enormes masas y a su gran edad, se cree que estos cúmulos han producido un gran número de agujeros negros de masa estelar, creados a medida que las estrellas masivas del cúmulo explotaban y colapsaban a lo largo de la extensa vida del cúmulo [3][4].

El cúmulo globular NGC 3201.

El instrumento MUSE de ESO proporciona a los astrónomos una capacidad única para medir los movimientos de miles de estrellas lejanas al mismo tiempo. Con este nuevo hallazgo, Giesers y su equipo han podido detectar, por primera vez, un agujero negro inactivo en el corazón de un cúmulo globular, uno que, actualmente, no está tragando materia y no está rodeado por un disco brillante de gas. Han podido estimar la masa del agujero negro masivo a través de los movimientos de una estrella capturada por su enorme fuerza gravitacional [5].

De las propiedades de la estrella observadas se ha determinado que tiene 0,8 veces la masa de nuestro Sol, y la masa de su misteriosa contraparte se ha calculado en alrededor de 4,36 veces masa del Sol, por lo que, seguramente, se trate de un agujero negro [6].

Las recientes detecciones de fuentes de radio y de rayos X en cúmulos globulares, así como la detección en 2016 de señales de ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos agujeros negros de masa estelar, sugiere que estos agujeros negros, relativamente pequeños, puede ser más comunes de lo que se pensaba en cúmulos globulares.

Giesers concluye: "Hasta hace poco se suponía que casi todos los agujeros negros desaparecerían de los cúmulos globulares después de poco tiempo y que sistemas como este ¡ni siquiera deberían existir! Pero, claramente, este no es el caso. Nuestro descubrimiento es la primera detección directa de los efectos gravitacionales de un agujero negro de masa estelar en un cúmulo globular. Este descubrimiento nos ayuda a comprender la formación de cúmulos globulares y la evolución de los agujeros negros y los sistemas binarios, vital en el contexto de la comprensión de fuentes de ondas gravitacionales".

Impresión artística del sistema estelar binario con agujero negro en NGC 3201.

Notas.
[1] La estrella descubierta es una estrella de secuencia principal apagada, lo que significa que está al final de la fase de secuencia principal de su vida. Al agotar su suministro de hidrógeno principal, va camino de convertirse en una gigante roja.

[2] Actualmente se está llevando a cabo un estudio profundo de 25 cúmulos globulares alrededor de la Vía Láctea con el instrumento MUSE de ESO con el apoyo del consorcio MUSE. Proporcionará a los astrónomos espectros de entre 600 y 27.000 estrellas de cada cúmulo. El estudio incluye el análisis de la "velocidad radial" de estrellas individuales (la velocidad a la que se alejan y se acercan a la Tierra en la línea de visión del observador). Con las medidas de la velocidad radial pueden determinarse las órbitas de las estrellas, así como las características de cualquier objeto masivo que pueden estar en órbita.

[3] En ausencia de continua formación estelar, como es el caso de cúmulos globulares, los agujeros negros de masa estelar pronto se convierten en los objetos más masivos presentes. En general, los agujeros negros de masa estelar en cúmulos globulares son unas cuatro veces tan masivos como las estrellas de baja masa de su alrededor. Teorías recientes han concluido que los agujeros negros forman un denso núcleo dentro del cúmulo, que entonces se separa del resto del material globular. Se cree que los movimientos en el centro del cúmulo eyectan y expulsan a la mayoría de los agujeros negros, lo cual significa que, tras unos miles de millones de años, solo quedarían unos pocos.

[4] Los agujeros negros de masa estelar, en inglés también conocidas como “collapsars”, se forman cuando mueren estrellas masivas, colapsando bajo su propia gravedad y explotando como hipernovas de gran alcance. Lo que queda es un agujero negro con la mayor parte de la masa de la estrella anterior, que puede ir desde un par de veces la masa de nuestro Sol hasta varias decenas de veces su masa.

[5] Como la luz no es capaz de escapar de los agujeros negros debido a la enorme gravedad de estos últimos, el principal método para detectarlos es mediante observaciones de emisiones de ondas de radio o de rayos X procedentes del material caliente que los rodea. Pero cuando un agujero negro no está interactuando con la materia caliente y, por tanto, no acumula masa o emite radiación, como en este caso, el agujero negro está "inactivo" y resulta invisible, por lo que se requiere otro método de detección.

[6] Dado que el objeto no luminoso de este sistema binario no puede observarse directamente, hay alternativas, aunque mucho menos convincentes, para explicar de qué podría tratarse. Tal vez sea un sistema estelar triple formado por dos estrellas de neutrones, fuertemente unidas, siendo la estrella observada la que orbita alrededor de ellas. Este escenario requeriría que cada estrella estrechamente unida tuviese, al menos, dos veces la masa de nuestro Sol, un tipo de sistema binario jamás observado con anterioridad.

Información adicional.
El VLT visto a ojo de pájaro. Crédito: ESO.
Este trabajo de investigación se ha presentado en el artículo científico titulado “A detached stellar-mass black hole candidate in the globular cluster NGC 3201”, por B. Giesers et al., que aparece en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, enlace al artículo.

El equipo está formado por Benjamin Giesers (Universidad Georgia Augusta de Gotinga, Alemania); Stefan Dreizler (Universidad Georgia Augusta de Gotinga, Alemania); Tim-Oliver Husser (Universidad Georgia Augusta de Gotinga, Alemania); Sebastian Kamann (Universidad Georgia Augusta de Gotinga, Alemania; Universidad John Moores de Liverpool, Liverpool, Reino Unido); Guillem Anglada Escudé (Universidad Queen Mary de Londres, Reino Unido); Jarle Brinchmann (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos; Universidad de Oporto, CAUP, Oporto, Portugal); C. Marcella Carollo (Instituto Federal Suizo de Technología ETH, Zúrich, Suiza); Martin M. Roth (Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam, Potsdam, Alemania); Peter M. Weilbacher (Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam, Potsdam, Alemania); y Lutz Wisotzki (Instituto Leibniz de Astrofísica de Potsdam, Potsdam, Alemania).

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• Publicado en ESO el 17 de enero del 2.018.

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