Un equipo de científicos, entre los que se encuentran astrónomos de la Universidad de Ginebra (UNIGE), ha descubierto un gigante «dormido» gracias a la inestimable riqueza de datos de la misión Gaia de la ESA. Un gran agujero negro, con una masa de casi 33 veces la del Sol, se escondía a menos de 2.000 años luz de la Tierra, en la constelación de Aquila.

Es el primer agujero negro de origen estelar tan grande que se detecta tan cerca de la Tierra. El descubrimiento, publicado en Astronomy and Astrophysics, desafía nuestra comprensión de cómo se desarrollan y evolucionan las estrellas masivas.

La materia de un agujero negro está tan densamente empaquetada que nada puede escapar a su inmensa atracción gravitatoria, ni siquiera la luz (de ahí el nombre de agujero negro). La gran mayoría de los agujeros negros de masa estelar que conocemos engullen materia de una estrella compañera cercana. El material capturado cae a gran velocidad sobre el objeto compacto, calentándose en extremo y liberando rayos X. Estos sistemas pertenecen a una familia de objetos celestes denominados binarias de rayos X.

Cuando el agujero negro compañero no está lo suficientemente cerca como para derramar materia sobre el objeto compacto, no se emite luz ni energía, por lo que resulta extremadamente difícil detectar el agujero negro. Un agujero negro silencioso se denomina inactivo. Su presencia, sin embargo, induce un movimiento en su compañera orbital que podría ser detectado en el cielo por un instrumento astrométrico muy sensible, como la nave espacial Gaia.

Esta representación artística compara tres agujeros negros estelares de nuestra galaxia: Gaia BH1, Cygnus X-1 y Gaia BH3, cuyas masas son 10, 21 y 33 veces la del Sol respectivamente
Esta representación artística compara tres agujeros negros estelares de nuestra galaxia: Gaia BH1, Cygnus X-1 y Gaia BH3, cuyas masas son 10, 21 y 33 veces la del Sol respectivamente. Crédito: M. Kornmesser / ESO

Un gran avance gracias a la exquisita precisión de Gaia

La misión Gaia se ha creado para medir la distancia a más de dos mil millones de estrellas examinando su movimiento en el cielo con gran precisión. Para preparar la publicación del próximo catálogo de Gaia, Gaia Data Release 4 (DR4), los científicos de la Colaboración Gaia llevan a cabo exhaustivos cálculos y pruebas para comprobar si algo se sale de lo normal. Existen equipos dedicados a investigar los casos extraños y crear productos de datos derivados.

Uno de estos equipos fue fundado en 2020 por Laurent Eyer, profesor titular del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, y Tsevi Mazeh, investigador de la Universidad de Tel Aviv, ambos coautores del estudio. Dirigido por Berry Holl, investigador asociado principal del Departamento de Astronomía de la UNIGE y también coautor, se encargó de validar minuciosamente los resultados obtenidos en estrellas no solitarias con movimientos extremos, para comprobar la integridad de los posibles agujeros negros y evitar la publicación de falsas detecciones evidentes.

La atención del equipo recayó en una vieja estrella gigante, a 1926 años luz de la Tierra, en la constelación de Aquila. Al analizar en detalle el bamboleo en la trayectoria de la estrella, descubrieron una gran sorpresa: la estrella estaba trabada en un movimiento orbital con un agujero negro inactivo de masa excepcional, unas 33 veces la del Sol. Se trata del tercer agujero negro inactivo hallado con Gaia y fue bautizado acertadamente como Gaia BH3. La calidad de los últimos datos producidos por el consorcio ha mejorado tanto que esperamos publicar un buen número de auténticos agujeros negros en el catálogo DR4, afirma Berry Holl con entusiasmo.

Un récord en la galaxia

El descubrimiento de Gaia BH3 es muy emocionante por su masa. Hasta ahora, sólo se habían detectado agujeros negros de esta masa en galaxias lejanas, gracias a las observaciones de ondas gravitacionales realizadas por el consorcio LIGO/Virgo. La masa típica de los agujeros negros de origen estelar conocidos en nuestra galaxia es unas 10 veces la masa de nuestro Sol. Hasta ahora, el récord lo ostentaba un agujero negro en una binaria de rayos X en la constelación de Cygnus (Cyg X-1), cuya masa se estima en unas 20 veces la del Sol.

Los astrónomos se enfrentan a la apremiante cuestión de explicar el origen de agujeros negros tan grandes como Gaia BH3. Los conocimientos actuales sobre la evolución de las estrellas masivas no pueden explicar cómo surgieron este tipo de agujeros negros. La mayoría de las teorías predicen que, a medida que envejecen, las estrellas masivas desprenden una parte considerable de su material a través de potentes vientos; finalmente, explotan como supernova, dejando tras de sí una estrella de neutrones o un agujero negro si el núcleo era lo suficientemente masivo en el momento de la explosión.

Sin embargo, construir agujeros negros de 30 o más veces la masa de nuestro Sol es un verdadero desafío con los modelos evolutivos actuales; el descubrimiento de Gaia BH3 dentro de nuestra Galaxia es, por tanto, una oportunidad única para estudiar por primera vez el entorno en el que residen estos agujeros negros estelares inesperadamente masivos y comprender su origen, afirma Nami Mowlavi, investigadora principal del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE, miembro del equipo y coautora del artículo.

Esta imagen muestra una vista de amplio campo del área que hay alrededor de Gaia BH3, el agujero negro estelar más masivo de nuestra galaxia
Esta imagen muestra una vista de amplio campo del área que hay alrededor de Gaia BH3, el agujero negro estelar más masivo de nuestra galaxia. Crédito: Digitized Sky Survey 2 / ESO

Un compañero intrigante

Con una órbita unas 16 veces superior a la distancia Sol-Tierra, la estrella compañera de Gaia BH3 es bastante poco común: una vieja estrella gigante del halo estelar galáctico, que se mueve en dirección opuesta a las estrellas del disco galáctico. Su trayectoria indica que esta estrella probablemente forma parte de los restos de una pequeña galaxia acrecionada por la Vía Láctea hace más de 8.000 millones de años. Es posible incluso que proceda de un antiguo cúmulo globular ya destruido. La estrella tiene muy pocos elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, lo que indica que la progenitora de Gaia BH3 podría ser una estrella masiva también muy pobre en elementos pesados.

Esto es notable. Apoya, por primera vez, la idea de que los agujeros negros de gran masa observados por los experimentos de ondas gravitacionales se produjeron por el colapso de estrellas masivas primigenias pobres en elementos pesados.

Estas estrellas podrían evolucionar de forma distinta a las que vemos en el disco galáctico y en las proximidades del Sol. Podrían conservar la mayor parte de su masa hasta el final y, una vez agotado el combustible nuclear de su núcleo, colapsar dejando agujeros negros de gran masa en el firmamento.

El descubrimiento de Gaia BH3 es sólo el principio, y aún queda mucho por investigar sobre su desconcertante naturaleza. La Colaboración Gaia encontró este tesoro mientras validaba los datos preliminares de Gaia.

Sin embargo, el hallazgo es tan excepcional que el equipo de Gaia decidió anunciarlo antes de la próxima publicación oficial de datos, prevista no antes de finales de 2025. Estoy muy contento de poder compartir este asombroso descubrimiento con todo el mundo, afirma Laurent Eyer. Ahora que se ha despertado la curiosidad de los científicos, este agujero negro y su compañero serán sin duda objeto de muchos estudios en profundidad en el futuro.

Fuentes

Université de Genève | European Southern Observatory | Gaia Collaboration: P. Panuzzo, T. Mazeh, et al., Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry. Astronomy & Astrophysics. doi.org/10.1051/0004-6361/202449763

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