¿Cuánta masa se necesita para crea un agujero negro?

Astrónomos desafían las actuales teorías sobre formación de magnetares y agujeros negros.

Imagen de autor de un magnetar.

Utilizando el Very Large Telescope (VLT) de ESO en el norte Chile, astrónomos europeos han demostrado por primera vez que un magnetar, un inusual tipo de estrella de neutrones, se formó a partir de una estrella de al menos 40 veces la masa del Sol. El resultado desafía las actuales teorías sobre evolución estelar pues se esperaba que una estrella tan masiva como ésta se convirtiera en un agujero negro, no en un magnetar. Esto genera una pregunta fundamental: ¿cuán masiva tiene que ser realmente una estrella para convertirse en un agujero negro?

Para llegar a estas conclusiones, los astrónomos miraron en detalle el extraordinario cúmulo estelar Westerlund 1[1], ubicado a 16.000 años-luz de distancia, en la constelación austral de Ara (el Altar). A partir de estudios anteriores (ver comunicado de prensa de ESO en inglés), los astrónomos sabían que Westerlund 1 es el súper cúmulo de estrellas más cercano conocido, con cientos de estrellas muy masivas en su interior, algunas que brillan con un resplandor similar a casi un millón de soles, y una extensión de unas doscientas veces el diámetro del Sol (similar a la órbita de Saturno).

“Si el Sol estuviese ubicado en el corazón de este notable cúmulo, nuestro cielo nocturno estaría lleno de cientos de estrellas tan brillantes como la Luna llena”, dice Ben Ritchie, autor principal del artículo que presenta estos resultados.

Westerlund 1 es un fantástico zoológico estelar, con una población de estrellas diversa y exótica. Las estrellas del cúmulo tienen algo en común: todas alcanzan la misma edad, estimada en entre 3,5 y 5 millones de años, debido a que el cúmulo se creó en un solo evento de formación estelar.

Esta imagen del joven cúmulo estelar Westerlund 1 fue obtenida con el Wide Field Imager del telescopio de 2,2 metros de MPG/ESO, en el Observatorio La Silla de ESO, en la IV Región de Chile. Este notable cúmulo contiene cientos de estrellas muy masivas, algunas que brillan con un resplandor similar a casi un millón de soles. Si bien la mayor parte de las estrellas en el cúmulo son calientes súper gigantes azules, aparecen rojizas en esta imagen pues son vistas a través del polvo y gas interestelares. Astrónomos europeos han demostrado por primera vez que el magnetar que se ubica en este cúmulo -un tipo inusual de estrella neutrones con un campo magnético extremadamente fuerte- se formó a partir de una estrella de al menos 40 veces la masa del Sol. El resultado presenta grandes desafíos a las actuales teorías sobre evolución estelar pues se esperaba que una estrella tan masiva como ésta se convirtiera en un agujero negro, no en un magnetar.
Crédito: ESO.

Un magnetar es un tipo de estrella de neutrones con un campo magnético tremendamente fuerte, 10^15 veces más fuerte que el de la Tierra, que se forma cuando ciertas estrellas explotan como supernovas. El cúmulo Westerlund 1 alberga uno de los pocos magnetares conocidos en la Vía Láctea. Gracias a que se encuentra en el cúmulo, los astrónomos pudieron llegar a la notable deducción de que este magnetar debe haberse formado a partir de una estrella al menos 40 veces más masiva que el Sol.

Como todas las estrellas en Westerlund 1 tienen la misma edad, la estrella que explotó y dejó un remanente de magnetar debió tener una vida más corta que las estrellas supervivientes en el cúmulo. “Como el tiempo de vida de una estrella está directamente relacionado a su masa, mientras más masiva sea una estrella, más corta será su vida, si podemos medir la masa de cualquier estrella sobreviviente sabremos con seguridad que la estrella de vida más corta que se convirtió en el magnetar debió ser  incluso más masiva”, dice el coautor y líder del equipo Simon Clark. “Esto tiene gran importancia pues no existe una teoría aceptada sobre cómo se formaron estos objetos extremadamente magnéticos”.

Los astrónomos, por tanto, estudiaron las estrellas que pertenecen al sistema doble eclipsante W13 en Westerlund 1, utilizando el hecho de que en un sistema como éste las masas pueden ser calculadas directamente a partir del movimiento de las estrellas. Al comparar con estas estrellas, descubrieron que la estrella que se convirtió en un magnetar debió tener al menos 40 veces la masa del Sol. Esto prueba por primera vez que los magnetares pueden desarrollarse a partir de estrellas que, por su gran masa, se esperaría que formen agujeros negros. Hasta ahora se suponía que las estrellas con masas iniciales de entre 10 y 25 masas solares se convertían en estrellas de neutrones, mientras que aquéllas que superasen las 25 masas solares producían agujeros negros.

“Estas estrellas deben deshacerse de más de 9 décimos de su masa antes de explotar como supernova, o de otra forma crearían un agujero negro”, dice el coautor Ignacio Negueruela. “Pérdidas de masa tan enormes antes de la explosión presentan grandes desafíos a las actuales teorías de evolución estelar”. 

“Esto genera la inquietante pregunta de cuán masiva tiene que ser una estrella para colapsar y formar un agujero negro, si estrellas que son más de 40 veces más masivas que nuestro Sol no pueden conseguir esta proeza”, concluye el coautor Norbert Langer.

El VLT de ESO.

El mecanismo de formación preferido por los autores de este estudio postula que la estrella que se convirtió en magnetar, la progenitora, nació con una compañera estelar. A medida que ambas estrellas se fueron desarrollando, comenzaron a interactuar, consumiendo la energía derivada del movimiento orbital en eyectar grandes cantidades de masa desde la estrella progenitora. Si bien la compañera no es actualmente visible en la zona del magnetar, ello puede deberse a que la supernova que formó el magnetar provocó el quiebre del sistema binario, expulsando a ambas estrellas a alta velocidad desde el cúmulo.

“Si este es el caso, los sistemas binarios jugarían un rol clave en la evolución estelar, provocando pérdidas de masa, una “dieta” cósmica perfecta para estrellas de gran peso, que permite perder hasta un 95% de la masa inicial”, concluye Clark.

Notas

[1] El cúmulo abierto Westerlund 1 fue descubierto en 1961 desde Australia por el astrónomo suizo Bengt Westerlund, quien más tarde se convertiría en Director de ESO en Chile (1970–74). Este cúmulo está detrás de una enorme nube interestelar de gas y polvo que bloquea la mayor parte de la luz visible. El efecto de oscurecimiento es de más de 100.000, por eso ha tomado tanto tiempo descubrir la verdadera naturaleza de este particular cúmulo.

El cúmulo estelar Westerlund 1 por el Hubble.

Westerlund 1 es un laboratorio natural único para el estudio de la física estelar extrema, ha permitido a los astrónomos conocer cómo viven y mueren las estrellas más masivas de nuestra Vía Láctea. A partir de sus observaciones, los astrónomos concluyeron que este cúmulo extremo probablemente contenga no menos de 100.000 veces la masa del Sol, y que todas sus estrellas se ubican dentro de una zona de menos de 6 años-luz de extensión. De este modo, Westerlund 1 parece ser el cúmulo más masivo, compacto y joven identificado hasta ahora en nuestra galaxia, la Vía Láctea.

Todas las estrellas analizadas hasta ahora en Westerlund 1 poseen masas de al menos 30-40 veces la del Sol. Debido a que tales estrellas tienen vidas más bien cortas, en términos astronómicos, Westerlund 1 debe ser muy joven. Los astrónomos le determinan una edad que oscila entre 3,5 y 5 millones de años. Por tanto, Westerlund 1 es claramente un cúmulo “recién nacido” en nuestra galaxia.

Información adicional.

La investigación presentada en este Comunicado de Prensa de ESO aparecerá pronto en la revista científica Astronomy and Astrophysics (“A VLT/FLAMES survey for massive binaries in Westerlund 1: II. Dynamical constraints on magnetar progenitor masses from the eclipsing binary W13”, by B. Ritchie et al.). El mismo equipo publicó un primer estudio de este objeto en 2006 (“A Neutron Star with a Massive Progenitor in Westerlund 1”, por M.P. Muno y otros, Astrophysical Journal, 636, L41), artículo científico en línea.

El equipo está compuesto por Ben Ritchie y Simon Clark (The Open University, Reino Unido), Ignacio Negueruela (Universidad de Alicante, España), y Norbert Langer (Universität Bonn, Alemania, y Universiteit Utrecht, Holanda).

Imagen de autor del E-ELT de ESO.

Los astrónomos usaron el instrumento FLAMES del Very Large Telescope de ESO en Paranal, ubicado en la II Región de Chile, para estudiar las estrellas en el cúmulo Westerlund 1.

ESO, el Observatorio Europeo Austral, es la principal organización astronómica intergubernamental en Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Es apoyado por 14 países: Alemania, Austria, Bélgica, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Holanda, Italia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza. ESO desarrolla un ambicioso programa enfocado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también cumple un rol principal en promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera tres sitios únicos de observación de clase mundial en Chile: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, el proyecto astronómico más grande en desarrollo. ESO está actualmente planificando un European Extremely Large Telescope, el E-ELT, telescopio óptico y de infrarrojo cercano de 42 metros de diámetro, que llegará a ser “el ojo más grande del mundo en el cielo”.

Publicado en ESO el 18 de agosto del 2.010.