Los agujeros negros, por su naturaleza, son invisibles a menos que formen parte de un binario estelar o estén rodeados por un disco de acreción. La mayoría de los agujeros negros de tamaño estelar no lo son, pero los astrónomos los han estado buscando a través de eventos de microlentes gravitacionales, donde el agujero negro ilumina y distorsiona la luz de las estrellas hacia el centro galáctico. Un equipo dirigido por UC Berkeley puede haber encontrado el primer agujero negro flotante, aunque se necesitan más datos para descartar una estrella de neutrones.
Si, como creen los astrónomos, la muerte de grandes estrellas deja agujeros negros, debería haber cientos de millones de ellos dispersos por toda la galaxia de la Vía Láctea. El problema es que los agujeros negros aislados son invisibles.
Ahora, un equipo dirigido por la Universidad de California, Berkeley, los astrónomos han descubierto por primera vez lo que puede ser un agujero negro que flota libremente al observar el brillo de una estrella más distante a medida que su luz se distorsiona por el fuerte campo gravitacional del objeto. las llamadas microlentes gravitacionales.
El equipo, dirigido por el estudiante graduado Casey Lam y Jessica Lu, profesora asociada de astronomía de UC Berkeley, estima que la masa del objeto compacto invisible es entre 1,6 y 4,4 veces la del sol. Debido a que los astrónomos piensan que el remanente sobrante de una estrella muerta debe pesar más de 2,2 masas solares para colapsar en un agujero negro, los investigadores de UC Berkeley advierten que el objeto podría ser una estrella de neutrones en lugar de un agujero negro. Las estrellas de neutrones también son objetos densos y muy compactos, pero su gravedad se equilibra con la presión interna de neutrones, lo que evita un mayor colapso en un agujero negro.
Ya sea un agujero negro o una estrella de neutrones, el objeto es el primer remanente estelar oscuro, un «fantasma» estelar, descubierto deambulando por la galaxia sin emparejarse con otra estrella.
«Este es el primer agujero negro o estrella de neutrones que flota libremente descubierto con microlente gravitacional», dijo Lu. «Con microlente, podemos sondear estos objetos compactos y solitarios y pesarlos. Creo que hemos abierto una nueva ventana a estos objetos oscuros, que no se pueden ver de otra manera».
Determinar cuántos de estos objetos compactos pueblan la galaxia de la Vía Láctea ayudará a los astrónomos a comprender la evolución de las estrellas, en particular, cómo mueren, y de nuestra galaxia, y tal vez revele si alguno de los agujeros negros invisibles son agujeros negros primordiales. que algunos cosmólogos creen que se produjeron en grandes cantidades durante el Big Bang.
El análisis de Lam, Lu y su equipo internacional ha sido aceptado para su publicación en Las cartas del diario astrofísico. El análisis incluye otros cuatro eventos de microlente que el equipo concluyó que no fueron causados por un agujero negro, aunque dos probablemente fueron causados por una enana blanca o una estrella de neutrones. El equipo también concluyó que la población probable de agujeros negros en la galaxia es de 200 millones, más o menos lo que predijeron la mayoría de los teóricos.
Mismos datos, diferentes conclusiones
En particular, un equipo competidor del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore analizó el mismo evento de microlente y afirma que la masa del objeto compacto está más cerca de 7.1 masas solares e indiscutiblemente un agujero negro. Un artículo que describe el análisis realizado por el equipo de STScI, dirigido por Kailash Sahu, ha sido aceptado para su publicación en El diario astrofísico.
Ambos equipos usaron los mismos datos: medidas fotométricas del brillo de la estrella distante cuando su luz fue distorsionada o «lenteada» por el objeto supercompacto, y medidas astrométricas del cambio de ubicación de la estrella distante en el cielo como resultado de la fuerza gravitacional. distorsión por el objeto de la lente. Los datos fotométricos provinieron de dos estudios de microlente: el Experimento de Lente Gravitacional Óptica (OGLE), que emplea un telescopio de 1,3 metros en Chile operado por la Universidad de Varsovia, y el experimento de Observaciones de Microlente en Astrofísica (MOA), que está montado en un telescopio de 1,8- telescopio de un metro en Nueva Zelanda operado por la Universidad de Osaka. Los datos astrométricos provinieron del Telescopio Espacial Hubble de la NASA. STScI gestiona el programa científico del telescopio y lleva a cabo sus operaciones científicas.
Debido a que ambos estudios de microlentes capturaron el mismo objeto, tiene dos nombres: MOA-2011-BLG-191 y OGLE-2011-BLG-0462, o OB110462, para abreviar.
Si bien sondeos como estos descubren alrededor de 2000 estrellas iluminadas por microlentes cada año en la galaxia de la Vía Láctea, la adición de datos astrométricos es lo que permitió a los dos equipos determinar la masa del objeto compacto y su distancia a la Tierra. El equipo dirigido por UC Berkeley estimó que se encuentra entre 2280 y 6260 años luz (700-1920 parsecs) de distancia, en la dirección del centro de la Vía Láctea y cerca del gran bulto que rodea el agujero negro masivo central de la galaxia.
El grupo STScI estimó que se encuentra a unos 5153 años luz (1580 parsecs) de distancia.
Buscando una aguja en un pajar
Lu y Lam se interesaron por primera vez en el objeto en 2020 después de que el equipo de STScI concluyera tentativamente que cinco eventos de microlente observados por Hubble, todos los cuales duraron más de 100 días y, por lo tanto, podrían haber sido agujeros negros, podrían no ser causados por objetos compactos después de todo.
Lu, que ha estado buscando agujeros negros flotantes desde 2008, pensó que los datos la ayudarían a estimar mejor su abundancia en la galaxia, que se ha estimado aproximadamente entre 10 millones y 1000 millones. Hasta la fecha, los agujeros negros del tamaño de una estrella se han encontrado solo como parte de sistemas estelares binarios. Los agujeros negros en binarias se ven en rayos X, producidos cuando el material de la estrella cae sobre el agujero negro, o por detectores de ondas gravitacionales recientes, que son sensibles a las fusiones de dos o más agujeros negros. Pero estos eventos son raros.
«Casey y yo vimos los datos y nos interesamos mucho. Dijimos: ‘Guau, no hay agujeros negros. Eso es increíble’, aunque debería haberlos», dijo Lu. «Entonces, comenzamos a analizar los datos. Si realmente no hubiera agujeros negros en los datos, esto no coincidiría con nuestro modelo de cuántos agujeros negros debería haber en la Vía Láctea. Algo tendría que cambiar en nuestra comprensión de los agujeros negros, ya sea su número o qué tan rápido se mueven o sus masas».
Cuando Lam analizó la fotometría y la astrometría de los cinco eventos de microlente, se sorprendió de que uno, OB110462, tuviera las características de un objeto compacto: el objeto de la lente parecía oscuro y, por lo tanto, no era una estrella; el brillo estelar duró mucho tiempo, casi 300 días; y la distorsión de la posición de la estrella de fondo también fue duradera.
La duración del evento de lentes fue el principal indicio, dijo Lam. En 2020, demostró que la mejor manera de buscar microlentes de agujeros negros era buscar eventos muy largos. Es probable que solo el 1% de los eventos de microlente detectables provengan de agujeros negros, dijo, por lo que observar todos los eventos sería como buscar una aguja en un pajar. Pero, calculó Lam, es probable que alrededor del 40% de los eventos de microlente que duran más de 120 días sean agujeros negros.
«La duración del evento de brillo es un indicio de cuán masiva es la lente de primer plano que desvía la luz de la estrella de fondo», dijo Lam. «Es más probable que los eventos largos se deban a los agujeros negros. Sin embargo, no es una garantía, porque la duración del episodio de brillo no solo depende de cuán masiva sea la lente de primer plano, sino también de qué tan rápido se mueven la lente de primer plano y la estrella de fondo. Sin embargo, al obtener también mediciones de la posición aparente de la estrella de fondo, podemos confirmar si la lente de primer plano es realmente un agujero negro».
Según Lu, la influencia gravitacional de OB110462 sobre la luz de la estrella de fondo fue asombrosamente larga. Le tomó alrededor de un año a la estrella alcanzar su punto máximo en 2011, luego alrededor de un año para volver a la normalidad.
Más datos distinguirán el agujero negro de la estrella de neutrones
Para confirmar que OB110462 fue causado por un objeto supercompacto, Lu y Lam pidieron más datos astrométricos del Hubble, algunos de los cuales llegaron en octubre pasado. Esos nuevos datos mostraron que el cambio de posición de la estrella como resultado del campo gravitatorio de la lente todavía es observable 10 años después del evento. Otras observaciones del Hubble de la microlente están programadas tentativamente para el otoño de 2022.
El análisis de los nuevos datos confirmó que OB110462 probablemente era un agujero negro o una estrella de neutrones.
Lu y Lam sospechan que las diferentes conclusiones de los dos equipos se deben al hecho de que los datos astrométricos y fotométricos dan diferentes medidas de los movimientos relativos de los objetos de primer plano y de fondo. El análisis astrométrico también difiere entre los dos equipos. El equipo dirigido por UC Berkeley argumenta que aún no es posible distinguir si el objeto es un agujero negro o una estrella de neutrones, pero esperan resolver la discrepancia con más datos del Hubble y un análisis mejorado en el futuro.
«Por mucho que nos gustaría decir que definitivamente es un agujero negro, debemos informar todas las soluciones permitidas. Esto incluye agujeros negros de menor masa y posiblemente incluso una estrella de neutrones», dijo Lu.
«Si no puedes creer la curva de luz, el brillo, entonces eso dice algo importante. Si no crees la posición versus el tiempo, eso te dice algo importante», dijo Lam. “Entonces, si uno de ellos está mal, tenemos que entender por qué. O la otra posibilidad es que lo que medimos en ambos conjuntos de datos sea correcto, pero nuestro modelo sea incorrecto. Los datos de fotometría y astrometría surgen del mismo proceso físico, lo que significa que el brillo y la posición deben ser consistentes entre sí. Entonces, falta algo allí «.
Ambos equipos también estimaron la velocidad del objeto de lente supercompacto. El equipo de Lu/Lam encontró una velocidad relativamente tranquila, menos de 30 kilómetros por segundo. El equipo de STScI encontró una velocidad inusualmente grande, 45 km/s, que interpretó como el resultado de una patada extra que el supuesto agujero negro recibió de la supernova que lo generó.
Lu interpreta que la estimación de baja velocidad de su equipo podría respaldar una nueva teoría de que los agujeros negros no son el resultado de supernovas (la suposición actual actual) sino que provienen de supernovas fallidas que no causan un impacto brillante en el universo ni dan la agujero negro resultante una patada.
El trabajo de Lu y Lam cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (1909641) y la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NNG16PJ26C, NASA FINESST 80NSSC21K2043).
