revista de divulgación del Instituto de Astrofísica de Andalucía
Los agujeros negros estelares
¿Qué sabemos de las masas de los agujeros negros estelares?
Los agujeros negros estelares son los remanentes que quedan al final de la vida de estrellas que nacen con una masa mayor que ocho veces la del Sol. Estas terminan su vida en una supernova, una violenta explosión que eyecta las capas exteriores de la estrella al espacio, mientras su núcleo colapsa y forma un objeto extremadamente denso.
Durante este proceso, toda la materia atómica del núcleo se transforma en neutrones. Si tras la explosión la masa del núcleo remanente es menor que aproximadamente dos masas solares, su colapso es detenido por la llamada presión de degeneración cuántica generada por dichos neutrones.
En este caso, se forma un objeto que designamos como estrella de neutrones, con un diámetro de unos 25 km y una densidad media de alrededor de 5×10¹¹ kg/cm³, similar a la de un núcleo atómico. Un trozo de una estrella de neutrones del tamaño de un grano de azúcar (~1 mm³) tendría una masa equivalente a la de un portaaviones moderno (100.000 toneladas).
Sin embargo, cuando una estrella nace con una masa superior a unas 25 masas solares, el núcleo remanente es tan masivo, que la degeneración cuántica de los neutrones no puede parar su colapso.
El resultado es un agujero negro estelar, un objeto tan denso que, según la Relatividad General, toda su masa se concentra en un punto o singularidad. Esto deforma el espacio-tiempo de tal manera que aparece un horizonte de sucesos alrededor. A partir de una cierta distancia (unos 3 km por masa solar), nada puede escapar de su campo gravitatorio.
Se estima que a lo largo de la vida de la Vía Láctea se han formado unos cien millones de agujeros negros estelares. Poder determinar sus masas sería de gran ayuda para mejorar nuestro entendimiento de la evolución de las estrellas masivas y de cómo terminan su vida.
Desgraciadamente, por su propia naturaleza, descubrir agujeros negros y medir sus masas supone un gran desafío. Hasta hace unos diez años, la única manera era detectarlos a través de la radiación electromagnética emitida por la acreción de materia procedente de una estrella compañera. Antes de desaparecer tras el horizonte de sucesos, el plasma estelar que cae al agujero negro se calienta a temperaturas de varios millones de kelvin, emitiendo radiación principalmente en el rango de los rayos X. Este tipo de objetos se denominan binarias de rayos X y una vez detectadas, se puede emplear la espectroscopia óptica para estudiar la órbita de la estrella acompañante, y así determinar la masa del agujero negro.
Es un proceso largo y difícil y hasta el día de hoy solo se han obtenido estimaciones de las masas de 28 agujeros negros de esta manera (23 en la Vía Láctea y 5 en galaxias cercanas). Todos estos agujeros negros tienen masas entre aproximadamente 5 y 20 veces la del Sol.
Nuestra capacidad de estudiar agujeros negros mejoró radicalmente en el año 2015, cuando se detectaron por primera vez las ondas gravitacionales emitidas en la fusión de dos agujeros negros para formar uno más grande y masivo. Así se abrió una ventana observacional completamente nueva hacia el cosmos. Este descubrimiento fue tan transformador que fue galardonado con el Premio Nobel en Física en 2017.
Pero la probabilidad de observar la fusión de dos agujeros negros es muy baja. Esto se debe a varios factores. Para empezar, debe formarse un agujero negro binario, lo cual ya es poco frecuente. Además, el tiempo necesario para que estos se acerquen lo suficiente es típicamente de miles de millones de años. Esta es la principal razón por la cual las fusiones de agujeros negros observadas hasta la fecha han ocurrido en otras galaxias, a distancias de hasta aproximadamente 300 millones de años luz.
Desde la primera detección se han observado más de una docena de tales eventos. Sorprendentemente, las masas de los primeros agujeros negros descubiertos de esta manera eran significativamente más altas que las de las detecciones electromagnéticas, como se puede ver en la figura.
¿Cuál es el origen de los agujeros negros estelares de alta masa detectados por los detectores de ondas gravitacionales?
Al examinar la figura podemos comprobar que, por lo general, la masa de los agujero negros detectados por ondas gravitacionales (puntos azules) es significativamente superior al más masivo detectado en la Vía Láctea mediante radiación electromagnética (puntos rojos).
Una posible explicación a esta diferencia puede estar en el alto contenido de metales en las estrellas de la Vía Láctea (Nota: en astrofísica se denomina a todos los elementos más pesados que el helio como “metales”).
El motivo es que las estrellas masivas pierden una gran fracción de su masa a través de vientos estelares, cuya intensidad depende del contenido de metales de la estrella. Cuanto más metales contiene, más masa pueden perder mediante los vientos. Este efecto limita la masa de la estrella antes de que explote como una supernova. Por esta razón, las estrellas de baja metalicidad retienen una masa significativamente más alta al final de sus vidas y pueden formar agujeros negros más masivos que las estrellas con alto contenido de metales. La metalicidad de las estrellas se mide en relación con la del Sol y en nuestra galaxia varía típicamente entre una décima parte y el doble de la del Sol. Este rango puede explicar por qué hasta ahora hemos detectado solo agujeros negros relativamente ligeros en nuestra galaxia.
Un reciente descubrimiento publicado en abril de 2024 parece confirmar este argumento. Se trata del sistema binario Gaia BH3, situado a una distancia de tan solo 1900 años luz del Sol. Con 33 masas solares, es el agujero negro más masivo detectado en la Vía Láctea hasta el momento. Aún más interesante, su estrella acompañante tiene una metalicidad de menos de una centésima parte del valor del Sol, un nivel tan bajo que solo lo alcanza una entre 10.000 estrellas en la vecindad solar. Este descubrimiento se debe a la misión Gaia, un telescopio espacial europeo capaz de medir las distancias y movimientos de unos mil millones de estrellas de nuestra galaxia con altísima precisión.
Los datos de Gaia permiten abrir un nuevo camino para detectar agujeros negros en la Vía Láctea que formen parte de un sistema binario con una estrella, incluso si no emiten radiación en rayos X, al detectar cómo esta orbita en el campo gravitatorio del agujero negro.
Si Gaia BH3 y su estrella acompañante se formaron en el mismo entorno, entonces la progenitora del agujero negro también era una estrella con un contenido de metales muy bajo. Esto implica que no debió perder mucha materia por efecto del viento estelar, originando así un agujero negro muy masivo de acuerdo con la hipótesis mencionada anteriormente.
¿Cuál es la masa mínima de los agujeros negros estelares?
En cuanto a la masa mínima que puede tener un agujero negro estelar, hasta hace poco se consideraba que existe un salto de masas entre las estrellas de neutrones más masivas - aproximadamente dos masas solares - y los agujeros negros más ligeros - alrededor de cinco masas solares. Sin embargo, en mayo de 2023, la colaboración de detectores de ondas gravitatorias LIGO-Virgo-KAGRA detectó un posible agujero negro con una masa entre 2.5 y 4.5 veces la masa del Sol. Con más detecciones de esta naturaleza en el futuro, cabe la posibilidad de que finalmente exista una transición suave en el valor de las masas de estos dos tipos de objetos. Sin embargo, al interpretar estos futuros datos, será necesario considerar que los agujeros negros de muy baja masa también pueden formarse tras la fusión de dos estrellas de neutrones. En este caso, serían objetos secundarios que no se habrían formado directamente a partir del colapso de una estrella masiva.
¿Existen agujeros negros de masas tan bajas, que no podrían haberse formado como resultado de una supernova?
Finalmente, otra frontera de enorme interés es la posibilidad de descubrir agujeros negros con masas más pequeñas que las de las estrellas de neutrones. Dado que estos no podrían haberse formado a partir de estrellas, se cree que podrían haber surgido como objetos primordiales en los primeros momentos del Universo. La búsqueda continúa.
Las masas en el cementerio estelar. Esta imagen ilustra las masas de los agujeros negros y las estrellas de neutrones medidas hasta el momento. Azul y naranja: masas medidas a través de observaciones de ondas gravitatorias. Rojo y amarillo: masas medidas a través de observaciones de emisiones electromagnéticas. Esta imagen contiene todos los eventos detectados hasta finales de Marzo 2020. Crédito: LIGO-Virgo / Aaron Geller / Northwestern University