Los agujeros negros, por su naturaleza, son invisibles a menos que formen parte de una binaria 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 microlente gravitacional, donde el agujero negro brilla y distorsiona la luz de las estrellas hacia el centro galáctico. Un equipo dirigido por la Universidad de Berkeley podría haber encontrado el primer agujero negro de flotación libre, aunque se necesitan más datos para descartar que se trate de una estrella de neutrones.

Si, como creen los astrónomos, la muerte de las grandes estrellas deja tras de sí agujeros negros, debería haber cientos de millones de ellos dispersos por la Vía Láctea. El problema es que los agujeros negros aislados son invisibles.

Ahora, un equipo dirigido por astrónomos de la Universidad de California, en Berkeley, ha descubierto por primera vez lo que podría ser un agujero negro que flota libremente, al observar el brillo de una estrella más lejana cuando su luz fue distorsionada por el fuerte campo gravitacional del objeto, lo que se denomina microlente gravitacional.

El equipo, dirigido por la estudiante de posgrado Casey Lam y Jessica Lu, profesora asociada de astronomía de la UC Berkeley, estima que la masa del objeto compacto invisible es entre 1,6 y 4,4 veces la del sol. Dado que los astrónomos piensan que los restos de una estrella muerta deben ser más pesados que 2,2 masas solares para poder colapsar en un agujero negro, los investigadores de la 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 los neutrones, lo que impide que sigan colapsando hasta convertirse 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 vagando por la galaxia sin estar emparejado con otra estrella.

«Este es el primer agujero negro o estrella de neutrones que flota libremente y que se descubre con microlente gravitacional», dijo Lu. «Con la microlente, somos capaces de sondear estos objetos solitarios y compactos y pesarlos. Creo que hemos abierto una nueva ventana a estos objetos oscuros, que no pueden verse de ninguna otra manera.»

Determinar cuántos de estos objetos compactos pueblan la Vía Láctea ayudará a los astrónomos a entender la evolución de las estrellas -en particular, cómo mueren- y de nuestra galaxia, y tal vez revele si alguno de los agujeros negros no vistos 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 The Astrophysical Journal Letters. El análisis incluye otros cuatro eventos de microlente que el equipo concluyó que no fueron causados por un agujero negro, aunque dos fueron probablemente 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 la mayoría de los teóricos predijeron.

Mismos datos, diferentes conclusiones

En particular, un equipo competidor del Instituto Científico del Telescopio Espacial (STScI) de Baltimore analizó el mismo evento de microlente y afirma que la masa del objeto compacto es más cercana a 7,1 masas solares e indiscutiblemente un agujero negro. Un artículo que describe el análisis del equipo del STScI, dirigido por Kailash Sahu, ha sido aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal.

Ambos equipos utilizaron los mismos datos: mediciones fotométricas del brillo de la estrella distante cuando su luz fue distorsionada o «lenteada» por el objeto supercompacto, y mediciones astrométricas del desplazamiento de la ubicación de la estrella distante en el cielo como resultado de la distorsión gravitacional por el objeto lenteado. Los datos fotométricos proceden de dos estudios de microlentes: el Experimento de Lentes Gravitacionales Ópticas (OGLE), que emplea un telescopio de 1,3 metros en Chile operado por la Universidad de Varsovia, y el experimento de Observaciones de Microlentes en Astrofísica (MOA), que está montado en un telescopio de 1,8 metros en Nueva Zelanda operado por la Universidad de Osaka. Los datos astrométricos proceden del telescopio espacial Hubble de la NASA. El STScI gestiona el programa científico del telescopio y dirige sus operaciones científicas.

Debido a que ambos estudios de microlentes captaron el mismo objeto, éste tiene dos nombres: MOA-2011-BLG-191 y OGLE-2011-BLG-0462, u OB110462, para abreviar.

Aunque estudios como éste descubren cada año unas 2.000 estrellas iluminadas por microlentes en 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 la Universidad de Berkeley estimó que se encuentra a una distancia de entre 2.280 y 6.260 años luz (700-1920 parsecs), en dirección al centro de la Vía Láctea y cerca de la gran protuberancia que rodea el agujero negro masivo central de la galaxia.

El grupo del STScI estimó que se encuentra a unos 5.153 años luz (1.580 parsecs).

Buscando una aguja en un pajar

Lu y Lam se interesaron por primera vez en el objeto en 2020, después de que el equipo del STScI llegara a la conclusión provisional de que cinco eventos de microlente observados por el Hubble -todos los cuales duraron más de 100 días y, por tanto, podrían haber sido agujeros negros- podrían no estar causados por objetos compactos después de todo.

Lu, que lleva buscando agujeros negros flotantes desde 2008, pensó que los datos le ayudarían a estimar mejor su abundancia en la galaxia, que se ha calculado aproximadamente entre 10 millones y 1.000 millones. Hasta la fecha, los agujeros negros del tamaño de una estrella sólo se han encontrado como parte de sistemas estelares binarios. Los agujeros negros de las estrellas binarias se ven en los rayos X, producidos cuando el material de la estrella cae sobre el agujero negro, o por los recientes detectores de ondas gravitacionales, 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: ‘Vaya, no hay agujeros negros. Eso es increíble’, aunque debería haberlos», dijo Lu. «Y así, empezamos a mirar los datos. Si realmente no hubiera agujeros negros en los datos, entonces 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 la velocidad a la que 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 lente parecía oscuro, y por 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 la lente fue la principal pista, dijo Lam. En 2020, demostró que la mejor manera de buscar microlentes de agujeros negros era buscar eventos muy largos. Sólo el 1% de los eventos de microlentes detectables pueden provenir de agujeros negros, dijo, por lo que buscar todos los eventos sería como buscar una aguja en un pajar. Sin embargo, Lam calculó que alrededor del 40% de los eventos de microlente que duran más de 120 días son probablemente agujeros negros.

«La duración del evento de brillo es un indicio de lo masiva que 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 agujeros negros. Sin embargo, no es una garantía, porque la duración del episodio de brillo no sólo depende de la masa de la lente de primer plano, sino también de la rapidez con la que la lente de primer plano y la estrella de fondo se mueven una respecto a la otra. 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 gravitatoria de OB110462 sobre la luz de la estrella de fondo fue sorprendentemente larga. La estrella tardó cerca de un año en brillar hasta su máximo en 2011, y luego cerca de un año en volver a la normalidad.

Más datos permitirán distinguir 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 al Hubble, algunos de los cuales llegaron el pasado octubre. Esos nuevos datos mostraron que el cambio de posición de la estrella como resultado del campo gravitatorio de la lente sigue siendo observable 10 años después del evento. Se han programado provisionalmente nuevas observaciones del Hubble sobre la microlente para el otoño de 2022.

El análisis de los nuevos datos confirmó que OB110462 era probablemente un agujero negro o una estrella de neutrones.

Lu y Lam sospechan que las diferentes conclusiones de los dos equipos se deben a 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 la UC Berkeley sostiene 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 mejor análisis en el futuro.

«Por mucho que nos gustaría decir que es definitivamente un agujero negro, debemos informar de todas las soluciones permitidas. Esto incluye tanto los agujeros negros de menor masa como posiblemente incluso una estrella de neutrones», dijo Lu.

«Si no se puede creer la curva de luz, el brillo, entonces eso dice algo importante. Si no te crees la posición frente al tiempo, eso te dice algo importante», dijo Lam. «Así que, si uno de ellos está equivocado, 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 coherentes entre sí. Por lo tanto, ahí falta algo. «

Ambos equipos también estimaron la velocidad del objeto lente supercompacto. El equipo de Lu/Lam encontró una velocidad relativamente tranquila, de menos de 30 kilómetros por segundo. El equipo del STScI encontró una velocidad inusualmente grande, de 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 la baja velocidad estimada por su equipo como un apoyo potencial a una nueva teoría según la cual los agujeros negros no son el resultado de supernovas -la suposición reinante hoy en día-, sino que proceden de supernovas fallidas que no producen un chapoteo brillante en el universo ni dan un impulso al agujero negro resultante.

El trabajo de Lu y Lam cuenta con el apoyo de la National Science Foundation (1909641) y de la National Aeronautics and Space Administration (NNG16PJ26C, NASA FINESST 80NSSC21K2043).

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