Con las manos en la masa. Astrónomos observan cómo una estrella que desaparece se convierte en un agujero negro.

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Un equipo de astrónomos liderado por Kishalay De del Instituto Flatiron descubrió que una estrella de la galaxia de Andrómeda desapareció sin convertirse en supernova, y en su lugar colapsó directamente en un agujero negro. El análisis del equipo revela lo que ocurrió.

Ilustración de una estrella que colapsó, formando un agujero negro. El agujero negro se encuentra en el centro, invisible. A su alrededor hay una capa de polvo que se aleja del agujero negro y el gas es atraído hacia él. Crédito de la imagen: Keith Miller, Caltech/IPAC - SELab

Astrónomos han visto cómo una estrella moribunda no explotó como supernova, sino que colapsó en un agujero negro. Este avistamiento extraordinario es el registro observacional más completo jamás realizado de la transformación de una estrella en un agujero negro, lo que permite a los astrónomos construir una imagen física completa del proceso.

Combinando observaciones recientes de la estrella con más de una década de datos de archivo, los astrónomos confirmaron y perfeccionaron modelos teóricos de cómo estrellas tan masivas se convierten en agujeros negros. El equipo descubrió que la estrella no explotó como supernova al final de su vida; en cambio, el núcleo de la estrella colapsó en un agujero negro, expulsando lentamente sus turbulentas capas externas en el proceso.

Los resultados, publicados en la revista Science, generaron entusiasmo por una nueva mirada a los misteriosos orígenes de los agujeros negros. El descubrimiento ayudará a explicar por qué algunas estrellas masivas se convierten en agujeros negros cuando mueren, mientras que otras no lo hacen.

“Esto es sólo el comienzo de la historia”, afirmó Kishalay De, investigador asociado del Instituto Flatiron de la Fundación Simons y autor principal del nuevo estudio. La luz de los restos polvorientos que rodean al agujero negro recién nacido, añadió, “será visible durante décadas con la sensibilidad de telescopios como el Telescopio Espacial James Webb, ya que continuará desapareciendo muy lentamente. Y esto podría convertirse en un punto de referencia para comprender cómo se forman los agujeros negros estelares en el universo”.

La estrella de referencia, ahora extinta, llamada M31-2014-DS1, se encuentra a unos 2,5 millones de años luz de la Tierra, en la vecina galaxia de Andrómeda. De y sus colaboradores analizaron mediciones de la estrella realizadas por el proyecto NEOWISE de la NASA y otros telescopios terrestres y espaciales durante un período comprendido entre 2005 y 2023. Descubrieron que la luz infrarroja de M31-2014-DS1 comenzó a brillar en 2014. Posteriormente, en 2016, la estrella se atenuó rápidamente, muy por debajo de su luminosidad original, en apenas un año.

Las observaciones de 2022 y 2023 mostraron que la estrella prácticamente desapareció en luz visible e infrarroja cercana, alcanzando una diezmilésima parte de su brillo en estas longitudes de onda. Su remanente ahora solo es detectable en luz infrarroja media, donde brilla con apenas una décima parte de su brillo previo.

De expresó que «esta estrella solía ser una de las más luminosas de la galaxia de Andrómeda, y ahora no se veía por ningún lado. Imaginen si la estrella Betelgeuse desapareciera de repente. ¡Todos perderían la cabeza! Algo similar estaba sucediendo con esta estrella en la galaxia de Andrómeda».

Al comparar estas observaciones con las predicciones teóricas, los investigadores concluyeron que el dramático desvanecimiento de la estrella a una fracción tan pequeña de su brillo total original proporciona evidencia sólida de que su núcleo colapsó y se convirtió en un agujero negro.

Las estrellas fusionan hidrógeno en helio en sus núcleos, y este proceso genera presión hacia afuera para equilibrar la incesante atracción gravitatoria. Cuando una estrella masiva, aproximadamente diez veces más pesada que nuestro Sol, comienza a quedarse sin combustible, el equilibrio entre las fuerzas de entrada y salida se altera. La gravedad comienza a colapsar la estrella, y su núcleo sucumbe primero para formar una densa estrella de neutrones en el centro.

A menudo, la emisión de neutrinos en este proceso genera una potente onda de choque lo suficientemente explosiva como para destrozar la mayor parte del núcleo y las capas externas de una supernova. Sin embargo, si la onda de choque impulsada por los neutrinos no logra expulsar el material estelar, la teoría sugiere desde hace tiempo que la mayor parte del material estelar caería de nuevo en la estrella de neutrones, formando un agujero negro.

“Hace casi 50 años que sabemos que existen los agujeros negros”, planteó De, “pero apenas estamos empezando a comprender qué estrellas se convierten en agujeros negros y cómo lo hacen”.

M31-2014-DS1
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Las observaciones y el análisis de M31-2014-DS1 permitieron al equipo reinterpretar las observaciones de una estrella similar, NGC 6946-BH1. Esto condujo a un avance importante en la comprensión de lo que había sucedido con las capas externas que envolvían la estrella tras su fracaso en convertirse en supernova y su colapso en un agujero negro. ¿El elemento ignorado? La convección.

Convección
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La convección es un subproducto de las enormes diferencias de temperatura dentro de la estrella. El material cerca del centro de la estrella es extremadamente caliente, mientras que las regiones exteriores son mucho más frías. Esta diferencia provoca que los gases dentro de la estrella se desplacen de regiones más calientes a regiones más frías.

Cuando el núcleo de la estrella colapsa, el gas de sus capas externas continúa moviéndose rápidamente debido a esta convección. Los modelos teóricos desarrollados por astrónomos del Instituto Flatiron han demostrado que esto impide que la mayoría de las capas externas se desplomen directamente; en cambio, las capas más internas orbitan fuera del agujero negro e impulsan la eyección de las capas más externas de la región convectiva.

El material expulsado se enfría a medida que se aleja del material caliente que rodea el agujero negro. Este material frío forma polvo fácilmente al combinarse los átomos y las moléculas. El polvo oscurece el gas caliente que orbita el agujero negro, calentándolo y produciendo un brillo observable en longitudes de onda infrarrojas. Este brillo rojo persistente es visible durante décadas después de la desaparición de la estrella.

Andrea Antoni, coautora y becaria de investigación de Flatiron, desarrolló previamente las predicciones teóricas para estos modelos de convección. La sorprendente evidencia observacional de M31-2014-DS1, la llevó a afirmar que «la tasa de acreción (la velocidad de caída de material) es mucho más lenta que si la estrella implosionara directamente. Este material convectivo tiene momento angular, por lo que se desplaza circularmente alrededor del agujero negro. En lugar de tardar meses o un año en caer, tarda décadas. Y debido a todo esto, se convierte en una fuente más brillante de lo que sería de otro modo, y observamos un gran retraso en el oscurecimiento de la estrella original».

De manera similar al agua que se arremolina en el desagüe de una bañera en lugar de fluir directamente hacia abajo, el gas en movimiento alrededor de este agujero negro recién formado continúa en su órbita caótica incluso mientras es atraído lentamente hacia el interior. Por lo tanto, la caída de gas detenida generada por la convección impide que toda la estrella colapse directamente en el agujero negro recién nacido. En cambio, los investigadores proponen que, incluso después de la implosión repentina del núcleo, parte del material saliente retrocede lentamente a lo largo de muchas décadas.

Porcentaje mínimo
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Los investigadores estiman que sólo alrededor del uno por ciento del gas original de la envoltura estelar cae en el agujero negro, alimentando la luz que emana de él en la actualidad.

Al analizar las observaciones de M31-2014-DS1, De y su equipo también reevaluaron una estrella similar, NGC 6946-BH1, categorizada hace 10 años. En el nuevo artículo, presentan evidencia contundente que explica por qué esta estrella siguió un patrón similar. M31-2014-DS1 inicialmente se destacó como un objeto peculiar, dijo De, pero ahora parece ser solo un miembro de una clase de objetos, incluyendo NGC 6946-BH1.

“Sólo con el descubrimiento de estas joyas individuales podemos empezar a crear una imagen como esta”, afirmó De.

Cita
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El estudio Disappearance of a massive star in the Andromeda Galaxy due to formation of a black hole (Desaparición de una estrella masiva en la galaxia de Andrómeda debido a la formación de un agujero negro), fue publicado en la revista Science. Autores: Kishalay De, Morgan MacLeod, Jacob E. Jencson, Elizabeth Lovegrove, Andrea Antoni, Erin Kara, Mansi M. Kasliwal, Ryan M. Lau, Abraham Loeb, Megan Masterson, Aaron M. Meisner, Christos Panagiotou Eliot Quataert & Robert Simcoe

Aquí, en PlaPampa, aportamos la traducción de estos artículos para que personas interesadas en estas temáticas que sólo hablan español-castellano, puedan acceder a ellas. Es nuestra humilde donación, si se nos permite considerar así esta tarea. Como no hay fines de lucro en nuestra actitud, agradecemos a AGU, EOS.org, a los autores de las investigaciones el permitirnos divulgarlas. Más de diez años atrás, la Dra. A.O.U. me indicó que tomara información, entre otras fuentes, de las que he citado previamente. Trato de cumplir con aquel gesto de quien se fijó en los artículos de la NASA que yo traducía por entonces, sobre la misión New Horizons, que sobrevoló Plutón y continúa su avance para alcanzar los confines de nuestro Sistema Solar y, ojalá, el espacio interestelar. Tanto unas como otras experiencias mencionadas recién, debieran constituir un baño de humildad para nosotros, los humanos actuales, quienes fuimos incapaces de mantener y hacer prosperar este planeta que habitamos, y lo hemos esquilmado hasta el hartazgo, un legado imperdonable para las futuras generaciones.