Hubble determina la masa de los agujeros negros aislados que vagan por nuestra galaxia – Complejo de Comunicaciones del Espacio Exterior de Madrid

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Los astrónomos estiman que hay alrededor de 100 millones de agujeros negros vagando entre las estrellas de nuestra galaxia, la Vía Láctea, pero nunca han identificado agujeros negros aislados.

Después de seis años de cuidadosa observación, el telescopio espacial Hubble de la NASA, por primera vez en la historia, proporciona evidencia de agujeros negros aislados que vuelan a través del espacio interestelar al medir con precisión la masa de los objetos fantasma.

Hasta la fecha, todas las masas de los agujeros negros se han inferido estadísticamente o mediante interacciones en sistemas binarios o en núcleos de galaxias. Los agujeros negros masivos de estrellas generalmente se encuentran con estrellas compañeras, lo que hace que esto sea inusual.

El travieso agujero negro que detectamos recientemente está a unos 5.000 años luz de distancia, en el brazo espiral Carina-Sagitario de nuestra galaxia. Sin embargo, los hallazgos permiten a los astrónomos estimar que el agujero negro de una masa estelar más cercana a la Tierra podría alcanzar los 80 años luz. La estrella más cercana a nuestro sistema solar, Proxima Centauri, está a solo 4 años luz de distancia.

Esta foto del telescopio espacial Hubble se enfoca en la dirección del centro de la galaxia. La luz de las estrellas se monitorea para ver si un objeto de fondo en movimiento frente a ella provoca un cambio en el brillo visible. La deformación desde el espacio por parte de los intrusos iluminará momentáneamente la imagen de la estrella de fondo, debido a un efecto llamado gravedad de la lente. Uno de esos eventos se muestra a lo largo de los cuatro primeros planos a continuación. La flecha apunta a una estrella momentáneamente brillante, vista por primera vez por Hubble desde agosto de 2011. Esto es causado por un agujero negro en primer plano que se mueve frente a la estrella, a lo largo de nuestra línea de visión. La estrella es brillante y luego vuelve a su brillo normal cuando pasa el agujero negro. Debido a que los agujeros negros no emiten ni reflejan luz, no se pueden observar directamente. Pero la impresión en el tejido espacial se puede medir a través de estos eventos de microlente. Aunque hay aproximadamente 100 millones de agujeros negros aislados vagando por nuestra galaxia, encontrar un solo rastro es como buscar una aguja en un pajar para los astrónomos del Hubble.
Créditos: NASA, ESA y Kailash Sahu (STScI); Procesamiento de imágenes: Joseph DePasquale (STScI).

Los agujeros negros en nuestra galaxia surgen de estrellas extrañas y extrañas (menos de una milésima parte de la población de estrellas de la galaxia) que son al menos 20 veces más grandes que el Sol. al agujero negro. Debido a que la detonación en sí misma no es perfectamente simétrica, los agujeros negros pueden explotar y atravesar nuestra galaxia como cañones.

Los telescopios no pueden disparar agujeros negros traviesos porque no emiten luz. En cambio, un agujero negro deforma el espacio, desviando y amplificando la luz de las estrellas de cualquier cosa que momentáneamente se alinee exactamente detrás de él.

El telescopio terrestre, que monitorea el brillo de millones de estrellas en la protuberancia central de nuestra Vía Láctea, busca un brillo repentino, provocado por un objeto grande que pasa entre nosotros y la estrella. Hubble luego rastrea los eventos más interesantes.

Dos equipos utilizaron datos del Hubble en sus investigaciones: uno dirigido por Kailash Sahu del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland; y otro de Casey Lam de la Universidad de California, Berkeley. Los resultados del equipo fueron ligeramente diferentes, pero ambos mostraron la presencia de objetos compactos.

La deformación del espacio debido a la gravedad de un objeto en primer plano que pasa frente a una estrella muy por detrás doblará y amplificará momentáneamente la luz de la estrella de fondo cuando pase frente a ella. Los astrónomos usan este fenómeno, llamado microlente gravitacional, para estudiar estrellas y exoplanetas en los aproximadamente 30.000 eventos detectados hasta la fecha en nuestra galaxia.

El rastro del agujero negro es único entre otros eventos de microlente. La fuerte gravedad del agujero negro superó la duración del evento en más de 200 días. Además, si el objeto que interviene es una estrella, provocará un cambio de color transitorio en la luz estelar de fondo, porque la luz del primer plano y la estrella de fondo se mezclan momentáneamente.

Luego se usó Hubble para medir la cantidad de desviación del agujero negro de una imagen de estrella de fondo. Hubble pudo lograr la increíble precisión requerida para estas mediciones. La imagen de la estrella se mueve desde un lugar que generalmente tiene un arco de una milla de segundo. Eso es el equivalente a medir un cuarto de diámetro en Los Ángeles desde la ciudad de Nueva York.

Esta técnica de microlente astrométrica proporciona información sobre la masa, la distancia y la velocidad de un agujero negro. La cantidad de desviación de la intensa deformación de un agujero negro permitió al equipo de Sahu estimar que tenía siete masas solares.

El equipo de Lam informó un rango de masas ligeramente más bajo, lo que significa que el objeto podría ser una estrella de neutrones o un agujero negro. Estimó que la masa de un objeto compacto invisible es entre 1,6 y 4,4 veces la del Sol. En el extremo superior de este rango, el objeto será un agujero negro; en el extremo inferior, será una estrella de neutrones.

“Como queremos decir que se trata de un agujero negro, debemos informar todas las soluciones posibles. Esto incluye agujeros negros más baratos y posiblemente estrellas de neutrones”, dijo Jessica Lu, del equipo de Berkeley.

Esta ilustración revela cómo la gravedad de un agujero negro deforma el espacio y desvía la luz de las estrellas muy por detrás. El agujero negro es el remanente aplastado de una gran estrella que explotó como una supernova. Los agujeros negros capturan la luz debido a un fuerte campo gravitatorio, por lo que no se pueden ver directamente. El agujero negro arruinó el espacio a su alrededor, cambiando la imagen de la estrella detrás de él.
Créditos: NASA, ESA, STScI, Joseph Olmsted.

“De todos modos, el objeto es el remanente de la primera estrella oscura que se encuentra deambulando por la galaxia, sin la compañía de otras estrellas”, agregó Lam.

Esta es una medida muy difícil porque hay estrellas brillantes y no hay una relación muy estrecha en la separación angular con la estrella fuente. “Es como tratar de medir el pequeño movimiento de una luciérnaga junto a una bombilla de luz brillante”, dijo Sahu. “Tenemos que reducir cuidadosamente la luz de las estrellas brillantes cercanas para medir la desviación de la fuente tenue”.

El equipo de Sahu estima que un agujero negro aislado atraviesa la galaxia a una velocidad de 160.000 kilómetros por hora (lo suficientemente rápido como para viajar de la Tierra a la Luna en menos de tres horas). Eso es más rápido que otras estrellas vecinas en nuestra región galáctica.

“La microlente astrométrica es un concepto simple pero con observaciones muy difíciles”, dijo Sahu. “La microlente es la única técnica disponible para identificar agujeros negros aislados”. Cuando un agujero negro pasa frente a una estrella de fondo ubicada a 19.000 años luz de distancia en el núcleo de la galaxia, la luz de la estrella que llega a la Tierra se amplifica durante 270 días mientras pasa el agujero negro. Sin embargo, se necesitaron varios años de observaciones del Hubble para rastrear cómo la posición de la estrella de fondo parecía estar sesgada debido a la curvatura de la luz del agujero negro en el primer plano.

La presencia de agujeros negros de masa estelar se conoce desde principios de la década de 1970, pero hasta la fecha, todas las mediciones de masa se han realizado en sistemas estelares binarios. El gas de una estrella compañera cae sobre un agujero negro y se calienta a alta temperatura hasta que emite rayos X. La masa de aproximadamente dos docenas de agujeros negros en una binaria de rayos X se ha medido a través del efecto de la gravedad sobre sus contrapartes. Las estimaciones de masa oscilan entre 5 y 20 masas solares. Los agujeros negros detectados en otras galaxias por ondas gravitacionales de la fusión entre agujeros negros y objetos compañeros han alcanzado las 90 masas solares.

Este lapso de tiempo utiliza cuatro fotos del telescopio espacial Hubble que capturan los efectos gravitacionales de los agujeros negros que se mueven en nuestra galaxia. Debido a que los agujeros negros no emiten ni reflejan luz, no se pueden observar directamente. Pero la huella digital única en el tejido espacial se puede medir emitiendo luz desde una estrella de fondo, un efecto llamado microlente gravitacional. La estrella de fondo es brevemente brillante, ya que el Hubble la tomó por primera vez desde agosto de 2011, y luego volvió a su brillo normal, cuando el agujero negro frontal pasó a la deriva. Encontrar las señales de un agujero negro aislado es una búsqueda de agujas en un montón para los astrónomos del Hubble. Créditos: NASA, ESA y Kailash Sahu (STScI); Animación: Joseph DePasquale (STScI).

“La detección de agujeros negros aislados proporcionará nuevos conocimientos sobre la población de estos objetos en nuestra galaxia, la Vía Láctea”, dijo Sahu. Pero es como buscar una aguja en un pajar. Esta predicción es solo uno de los cientos de eventos de microlente causados ​​por agujeros negros aislados.

El próximo Telescopio Espacial Romano de la NASA, Nancy Grace, detectará varios miles de eventos de microlente, muchos de los cuales se espera que sean agujeros negros, y las aberraciones se medirán con una precisión extremadamente alta.

En un artículo de 1916 sobre relatividad general, Albert Einstein predijo que su teoría podría probarse observando la gravedad del Sol compensando la posición de las estrellas visibles en el fondo. Esto fue evidenciado por una colaboración dirigida por los astrónomos Arthur Eddington y Frank Dyson durante un eclipse solar el 29 de mayo de 1919. Eddington y sus colegas midieron las estrellas de fondo desplazadas por 2 segundos de arco, validando la teoría de Einstein. Estos científicos difícilmente podrían haber imaginado que más de un siglo después, la misma técnica sería utilizada, con una precisión mil veces inimaginable, para encontrar agujeros negros en las galaxias.

En nuestra galaxia, la Vía Láctea, los restos de estrellas muertas, quemadas y aplastadas atraviesan una amplia brecha espacial entre las estrellas. Estos agujeros negros no se pueden ver directamente debido a la fuerte gravedad de tragarse la luz. Al igual que el Fantasma del Viajero Legendario, su ocurrencia solo puede inferirse observando cómo influye en el entorno circundante.
Crédito: NASA Goddard Space Flight Center, productor principal: Paul Morris.

El Telescopio Espacial Hubble es un proyecto de colaboración internacional entre la NASA y la ESA (Agencia Espacial Europea). El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra el telescopio. El Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) en Baltimore, Maryland, lleva a cabo operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington, DC

Noticia original (en inglés)

Edición: R. Castro.