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Por fin se detectan otro tipo de agujeros negros

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Los agujeros negros en nuestra galaxia

Además del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia Sagitario A*, se estima que hay alrededor de cien millones de agujeros negros provenientes de estrellas solo en nuestra galaxia. De toda esta inmensa cantidad esperada, solo se han confirmado unos 20 agujeros negros y hay otros 50 posibles candidatos. Todos estos se han detectado mediante la emisión en rayos X que producen al tener una estrella lo suficientemente cerca para robarle materia. A este tipo de sistemas se les conoce como binarias de rayos X ya que emiten gran cantidad de energía de esta forma pero es una configuración poco común en el Universo. Sin embargo, se han observado agujeros negros en estos sistemas ya que son los más fáciles de detectar.

El problema de tener solo un tipo específico de agujeros negros es que las propiedades que se deriven pueden estar afectadas por las particularidades de pertenecer a un sistema binario y estar acretando materia. Por eso, es necesario ampliar el tipo de agujeros negros que se conocen, pero es complicado ya que al no emitir luz son muy escurridizos.

Un nuevo tipo de agujeros negros gracias a Gaia

La misión espacial Gaia fue lanzada por la Agencial Espacial Europea en diciembre de 2013 para medir las posiciones y movimientos de las estrellas de nuestra galaxia. Con todas estas medidas, se han seleccionado estrellas cuyo movimiento en el cielo sea consistente con estar en órbita con otro objeto. De todas ellas, se han elegido posteriormente las que mayor desplazamiento aparente tienen ya que su acompañante es más probable que sea más masivo y menos brillante y, por lo tanto, más consistente con un agujero negro.

Mediante este proceso en 2 de noviembre de 2022 se anunció en un primer artículo que se había detectado una estrella muy similar al Sol, de tipo G, orbitando alrededor de un agujero negro. A este sistema binario lo llamaron Gaia BH1, indicando que era el primer agujero negro (Black Hole) detectado por Gaia. Este sistema se encuentra a unos 1500 años luz de la Tierra y es el agujero negro más cercano que conocemos. La órbita que describe la estrella alrededor del agujero negro tiene un periodo de 185.6 días y la masa del agujero negro es de 9.62 masas solares. Estas propiedades se han inferido a partir del movimiento de la estrella sobre el cielo (Figura 1, gráfica superior derecha) y mediante el desplazamiento de las líneas de absorción de la estrella por efecto doppler provocado por estar orbitando (Figura 1, gráfica inferior).

Dos cuadrados en la parte superior y un rectángulo en la parte inferior. En el cuadrado de la izquierda se observa un fondo negro con círculos blancos y anaranjados representando estrellas. El cuadrado de la derecha tiene dos trayectorias diagonales y el rectángulo inferior se muestra una campana en azul y sobre ella puntos de colores.
Figura 1: Observaciones del sistema Gaia BH1. En la imagen superior izquierda se muestra la estrella en la que se ha detectado el movimiento por tener como acompañante un agujero negro. En la figura superior derecha se muestra con una línea negra el movimiento de la estrella en el cielo y con una línea azul punteada se describe la trayectoria solo por paralaje y movimiento propio, es decir, cuál sería su movimiento si no tuviera un acompañante. Por último, en la figura inferior se muestra la velocidad radial medida con varios instrumentos y las líneas en azul muestran las predicciones solo con la información extraída de Gaia.

Posteriormente, el 30 de marzo de 2023 se anunció otro agujero negro en un sistema binario y se le llamó Gaia BH2. En este caso la estrella que lo acompaña es una gigante roja que se encuentra a 3783 años luz y su periodo alrededor del agujero negro es de 1277 días, el más largo hasta ahora detectado. Por su parte, el agujero negro tiene una masa de 8.9 masas solares. En el primer artículo ya se indicó que este sistema podría ser un posible candidato pero, dado su largo periodo, era necesario seguir observando el sistema para poder confirmar su naturaleza. En la Figura 2 se muestran las observaciones de este sistema en el mismo formato que en la figura anterior.

Dos cuadrados en la parte superior y un rectángulo en la parte inferior. En el cuadrado de la izquierda se observa un fondo negro con círculos blancos, azulados y anaranjados representando estrellas. El cuadrado de la derecha tiene dos trayectorias diagonales y el rectángulo inferior se muestra una caída en azul y sobre ella puntos de colores.
Figura 2: Observaciones del sistema Gaia BH2. En la imagen superior izquierda se muestra la estrella en la que se ha detectado el movimiento por tener como acompañante un agujero negro. En la figura superior derecha se muestra con una línea negra el movimiento de la estrella en el cielo y en gris el movimiento que se predice en las zonas donde no hay observaciones.  Con una línea azul punteada se describe la trayectoria solo por paralaje y movimiento propio, es decir, cuál sería su movimiento si no tuviera un acompañante. Por último, en la figura inferior se muestra la velocidad radial medida con varios instrumentos y las líneas en azul muestran las predicciones solo con la información extraída de Gaia.

Mapa de agujeros negros descubiertos

Los agujeros negros que ha descubierto Gaia, pese a pertenecer a sistemas binarios, se diferencian de las binarias de rayos X en que no se detecta este tipo de emisión. Esto es porque la emisión de rayos X proviene del gas caliente que se transfiere de la estrella orbitando al agujero negro. En el caso de los agujeros negros de Gaia, la compañera está muy lejos como para que se transfiera materia por lo que están inactivos. De este modo, cuando se estudien con más detalle se podrá conocer cuáles son las propiedades específicas de este tipo de agujeros negros. Además, no se sabe con seguridad cómo puede ser estable un sistema donde la estrella está tan alejada del agujero negro y que pueda haber sobrevivido a la explosión de supernova previa a la formación del agujero negro. Desde luego, estos dos nuevos agujeros negros van a dar mucho que hablar, no solo por ser agujeros negros inactivos, sino que además Gaia BH1 es el más cercano y Gaia BH2 tiene el mayor periodo orbital detectado hasta ahora como se observa en la Figura 3.

Puntos de distintos colores con barras de error en una gráfica de distancia frente a periodo orbital. Los agujeros negros detectados por Gaia se muestran como puntos grandes en gris, Gaia BH1 se sitúa en la zona más inferior y Gaia BH2 se encuentra más a la derecha.
Figura 3: Comparación de todos los agujeros negros conocidos hasta la fecha. Los detectados por Gaia se muestran como círculos grandes y grises y el resto son agujeros activos en binarias. En el eje horizontal se indica el periodo orbital en días y en el vertical la distancia a la Tierra en kilopársecs.
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