Problema de los tres cuerpos: fusiones de agujeros negros en presencia de una estrella

Ilustración de un agujero negro de masa estelar con una estrella orbitando a su alrededor. Crédito: ESA/Gaia/DPAC.

Artículo en el que se basa este astrobito: Triples as Links between Binary Black Hole Mergers, Their Electromagnetic Counterparts, and Galactic Black Holes

Autoría: Smadar Naoz, Zoltán Haiman, Eliot Quataert, and Liz Holzknecht

Institución del primer autor: Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, CA 90095, USA

Estado de la publicación: publicado en “The Astrophysical Journal”, 922, L12.

Estrellas triples y agujeros negros: un laboratorio cósmico inesperado

Cuando pensamos en agujeros negros en nuestro Universo, habitualmente los asociamos a regiones del espacio con una masa mayor que miles de millones la masa de nuestro Sol. Estos agujeros negros supermasivos se encuentran en los centros galácticos, como el propio centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea. De hecho, este último ha sido posible observarlo directamente gracias al telescopio de horizonte de sucesos o EHT. Sin embargo, estos no son los únicos agujeros negros de la naturaleza. Hoy en día, conocemos también la existencia de pequeños, pero igualmente extremos agujeros negros, de masa comparable a la de una estrella, llamados agujeros negros de masa estelar. 

Los agujeros negros de masa estelar pueden detectarse hoy por tres vías muy distintas: a través de su emisión electromagnética cuando devoran materia en sistemas binarios como estrellas binarias de rayos X, por las ondas gravitacionales producidas cuando dos de ellos se fusionan, o mediante las mediciones ultraprecisas del satélite Gaia, que permite revelar compañeros invisibles por su tirón gravitatorio. Cada canal informa de una fase distinta de su historia, lo que plantea una pregunta profunda: ¿estamos observando poblaciones totalmente separadas o distintas etapas de un mismo proceso evolutivo? Hasta ahora, conectar estos mundos —ondas gravitacionales, binarias de rayos X y sistemas amplios encontrados por Gaia— había resultado extraordinariamente difícil.

Una pieza que faltaba en este rompecabezas puede estar en los sistemas triples. Al menos un 70% de las estrellas masivas nace en configuraciones con tres componentes (como se muestra en la Figura 1), y muchas de ellas podrían terminar su vida con dos agujeros negros orbitando entre sí mientras una tercera estrella se mantiene a gran distancia. En la mayoría de los estudios, esa compañera externa se considera “poco relevante”. Pero el trabajo que presentamos hoy demuestra todo lo contrario: esa estrella lejana puede ser la clave para unir las tres poblaciones de agujeros negros que observamos en el Universo.

Figura 1: Ilustración de un sistema estelar triple. Crédito: NASA Goddard Space and Flight Center.

Cuando dos agujeros negros se fusionan… y algo inesperado ocurre

El estudio propone un escenario sorprendente. Imaginemos un sistema triple donde dos estrellas masivas evolucionan hasta convertirse en un par de agujeros negros que finalmente se fusionan, produciendo una explosión de ondas gravitacionales como las que detecta los telescopios de ondas gravitacionales LIGO, Virgo o KAGRA. Esa fusión genera un “empujón” producido por la emisión anisótropa de ondas gravitacionales. Debido a este empujón, el agujero negro resultante sale despedido con una velocidad que puede cambiar drásticamente la órbita de la estrella terciaria… o incluso enviarla hacia un encuentro fatal.

Dependiendo del ángulo y la intensidad de esa patada, pueden darse cuatro desenlaces (como se ilustra en la Figura 2). En unos pocos casos —alrededor del 0,02% de ellos— el nuevo agujero negro se acerca tanto a la estrella que la desgarra por fuerzas de marea, produciendo un estallido electromagnético brillante apenas unos pocos días después de la fusión de los agujeros negros. En otros, el acercamiento no es tan extremo y la estrella comienza a transferir masa lentamente, formando un sistema binario de rayos X, similar a los observados en la Vía Láctea. También pueden formarse sistemas amplios agujero negro–estrella en los que no parece haber ningún signo de acreción o transferencia de material desde la estrella al agujero negro, muy parecidos a los que Gaia está empezando a descubrir. Y en la mayoría de los casos, simplemente, la patada separa para siempre al agujero negro de su compañera estelar.

Figura 2: Esquema de los posibles desenlaces de la tercera estrella tras la fusión de los dos agujeros negros de masa estelar. En el 13% de los casos, la estrella queda ligada al agujero negro resultante con una órbita amplia. En el 87% de los casos, la estrella restante es expulsada y separada del sistema. Solamente en un 0.2% de los casos, el agujero negro desgarra la estrella por fuerzas de marea produciendo un brillante estrallido, o mantiene ligada a la estrella con una órbita cercana y da lugar a una binaria de rayos X. Crédito: Figura 1 del artículo original.

Un puente entre tres poblaciones y nuevas ventanas para explorar el cosmos

Este trabajo ofrece por primera vez un escenario unitario en el que un único tipo de sistema triple puede dar lugar tanto a fusiones detectadas por ondas gravitacionales, como a binarias de rayos X y a los misteriosos sistemas de un agujero negro de masa estelar y estrella que Gaia encuentra sin rastro de acreción. Más aún, la dinámica descrita reproduce de manera natural sistemas como Gaia BH1, un sistema binario de una estrella y un agujero negro de masa estelar cuya separación actual resulta difícil de explicar si hubiera existido una fase de envoltura común tradicional. El estudio sugiere que entre un 1% y un 10% de los Gaia-BH podrían tener este origen, lo que implica que estamos observando las huellas de antiguas fusiones de agujeros negros en nuestra propia galaxia.

Además, las predicciones del modelo abren la puerta a un tipo muy raro pero extremadamente valioso de fenómenos: contrapartidas electromagnéticas a fusiones de agujeros negros. Hasta ahora, estos eventos se consideraban prácticamente imposibles, ya que los agujeros negros “vacíos” no tienen cómo generar luz. Pero en este escenario, una estrella cercana puede proporcionar el material necesario para producir un destello óptico-ultravioleta brillante. Si los detectores registran suficientes fusiones en las observaciones futuras, es posible que en los próximos años asistamos a la primera detección de uno de estos raros estallidos, permitiéndonos ver tanto la señal gravitacional como la emisión de luz de un mismo evento.