¡Descubren el eslabón perdido en la formación de agujeros negros masivos!

Omega Centauri es una espectacular colección de 10 millones de estrellas, visible como una mancha en el cielo nocturno desde las latitudes del sur. A través de un pequeño telescopio, no se diferencia de otros llamados cúmulos globulares; una colección estelar esférica tan densa hacia el centro que se vuelve imposible distinguir estrellas individuales. Pero un nuevo estudio, dirigido por investigadores de la Universidad de Utah y el Instituto Max Planck de Astronomía, confirma lo que los astrónomos habían discutido durante más de una década: Omega Centauri contiene un agujero negro central. El agujero negro parece ser el eslabón perdido entre su pariente estelar y supermasivo; atascado en una etapa intermedia de evolución, es considerablemente menos masivo que los agujeros negros típicos en los centros de las galaxias. Omega Centauri parece ser el núcleo de una pequeña galaxia separada cuya evolución se vio truncada cuando fue tragada por la Vía Láctea.

“Este es un hallazgo único en la vida. He estado emocionado por él durante nueve meses seguidos. Cada vez que lo pienso, me cuesta dormir”, dijo Anil Seth, profesor asociado de astronomía en la U y co-investigador principal (PI) del estudio. “Creo que las afirmaciones extraordinarias requieren evidencia extraordinaria. Esta es realmente, verdaderamente evidencia extraordinaria”.

Una clara detección de este agujero negro había eludido a los astrónomos hasta ahora. Los movimientos generales de las estrellas en el cúmulo mostraron que probablemente había alguna masa invisible cerca de su centro, pero no estaba claro si se trataba de un agujero negro de masa intermedia o solo una colección de agujeros negros estelares. Tal vez no había ningún agujero negro central en absoluto.

“Los estudios anteriores habían planteado preguntas críticas como ‘Entonces, ¿dónde están las estrellas de alta velocidad?’ Ahora tenemos una respuesta a eso y la confirmación de que Omega Centauri contiene un agujero negro de masa intermedia. A unos 18.000 años luz, este es el ejemplo más cercano conocido de un agujero negro masivo”, dijo Nadine Neumayer, jefa de grupo en el Instituto Max Planck y PI del estudio. Para comparar, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea está a unos 27.000 años luz de distancia.

El artículo se publicó en la revista Nature el 11 de julio de 2024. Mira cómo la investigación cobra vida el 8 de agosto de 2024, a las 7:00 p. m., cuando Anil Seth presente estos hallazgos únicos en la vida en el teatro IMAX del Planetario Clarke.

Un rango de masas de agujeros negros

En astronomía, los agujeros negros vienen en diferentes rangos de masa. Los agujeros negros estelares, entre una y unas pocas docenas de masas solares, son bien conocidos, al igual que los agujeros negros supermasivos con masas de millones o incluso miles de millones de soles. Nuestra imagen actual de la evolución de las galaxias sugiere que las primeras galaxias deberían haber tenido agujeros negros centrales de tamaño intermedio que habrían crecido con el tiempo, engullendo galaxias más pequeñas o fusionándose con galaxias más grandes.

Estos agujeros negros de tamaño mediano son notoriamente difíciles de encontrar. Aunque hay candidatos prometedores, no ha habido una detección definitiva de un agujero negro de masa intermedia, hasta ahora.

“Hay agujeros negros un poco más pesados que nuestro sol que son como hormigas o arañas; son difíciles de detectar, pero están por todas partes en el universo. Luego tienes agujeros negros supermasivos que son como Godzilla en los centros de las galaxias, desgarrando cosas, y podemos verlos fácilmente”, dijo Matthew Whittaker, un estudiante de pregrado en la U y coautor del estudio. “Entonces, estos agujeros negros de masa intermedia se encuentran en el nivel de Bigfoot. Detectarlos es como encontrar la primera evidencia de Bigfoot; la gente se va a volver loca”.

Aguja en un pajar de archivo

Cuando Seth y Neumayer diseñaron un proyecto de investigación para comprender mejor la historia de la formación de Omega Centauri en 2019, se dieron cuenta de que podían resolver la cuestión del agujero negro central del cúmulo de una vez por todas. Si encontraran estrellas que se movían rápidamente alrededor de su centro, tendrían la proverbial pistola humeante, así como una forma de medir la masa del agujero negro.

La ardua búsqueda se convirtió en la tarea de Maximilian Häberle, un estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck. Häberle dirigió el trabajo de crear un enorme catálogo para los movimientos de las estrellas en Omega Centauri, midiendo las velocidades de 1,4 millones de estrellas estudiando más de 500 imágenes del cúmulo tomadas por el Hubble. La mayoría de estas imágenes se habían producido con el propósito de calibrar los instrumentos del Hubble en lugar de para uso científico. Pero con sus vistas siempre repetidas de Omega Centauri, resultaron ser el conjunto de datos ideal para los esfuerzos de investigación del equipo.

“Buscar estrellas de alta velocidad y documentar su movimiento fue la proverbial búsqueda de una aguja en un pajar”, dijo Häberle. Al final, Häberle no solo tuvo el catálogo más completo del movimiento de las estrellas en Omega Centauri hasta el momento, sino que también encontró siete agujas en su pajar de archivo: siete estrellas que se movían rápidamente en una pequeña región en el centro de Omega Centauri.

Descubrir un agujero negro

Las siete estrellas se mueven rápido debido a la presencia de una masa concentrada cercana. Para una sola estrella, sería imposible decir si es rápida porque la masa central es grande o porque la estrella está muy cerca de la masa central, o si la estrella simplemente está volando en línea recta, sin ninguna masa a la vista. Pero siete estrellas de este tipo, con diferentes velocidades y direcciones de movimiento, permitieron al equipo separar los diferentes efectos y determinar que hay una masa central en Omega Centauri, con la masa de al menos 8.200 soles. Las imágenes no indican ningún objeto visible en la ubicación inferida de esa masa central, como se esperaría para un agujero negro.

El análisis más amplio también permitió al equipo reducir la ubicación de la región central de Omega Centauri a 3 meses luz de diámetro (en imágenes, 3 segundos de arco). Además, el análisis proporcionó una seguridad estadística: una sola estrella de alta velocidad en la imagen podría ni siquiera pertenecer a Omega Centauri. Podría ser una estrella fuera del cúmulo que pasa justo detrás o frente al centro de Omega Centauri por casualidad. Las observaciones de siete estrellas de este tipo, por otro lado, no pueden ser pura coincidencia y no dejan lugar a explicaciones distintas a un agujero negro.

Un agujero negro de masa intermedia por fin

Dados sus hallazgos, el equipo ahora planea examinar el centro de Omega Centauri con aún más detalle. Seth, de la U, está liderando un proyecto que ha obtenido la aprobación para utilizar el Telescopio Espacial James Webb para medir el movimiento de la estrella de alta velocidad hacia o desde la Tierra, y hay instrumentos futuros (GRAVITY+ en el VLT de ESO, MICADO en el Telescopio Extremadamente Grande) que podrían señalar posiciones estelares aún más precisamente que el Hubble. El objetivo a largo plazo es determinar cómo aceleran las estrellas: cómo se curvan sus órbitas. Seguir a esas estrellas una vez alrededor de toda su órbita, como en las observaciones galardonadas con el Premio Nobel cerca del agujero negro en el centro de la Vía Láctea, es un proyecto para futuras generaciones de astrónomos. Sin embargo, la menor masa del agujero negro para Omega Centauri significa escalas de tiempo diez veces mayores que para la Vía Láctea: períodos orbitales de más de cien años.

Información de fondo
El trabajo descrito aquí se ha publicado como M. Häberle et al., “Estrellas que se mueven rápidamente alrededor de un agujero negro de masa intermedia en ω Centauri” en la revista Nature. El catálogo de estrellas en el que se basa el trabajo ha sido aceptado para su publicación como M. Häberle et al., “oMEGACat II—Fotometría y movimientos propios para 1,4 millones de estrellas en Omega Centauri y su rotación en el plano del cielo” en el Astrophysical Journal.

Otros autores incluyen a los investigadores del Instituto Max Plank de Astronomía Antoine Dumont, Callie Clontz (también de la Universidad de Utah), Anja Feldmeier-Krause (también de la Universidad de Viena) y Maria Selina Nitschai en colaboración con Andrea Bellini (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial), Mattia Libralato (ESA e INAF Padova), Holger Baumgardt (Universidad de Queensland), Mayte Alfaro Cuello (Universidad Central de Chile), Jay Anderson (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial), Nikolay Kacharov (Instituto Leibniz de Astrofísica Potsdam), Sebastian Kamann (Universidad John Moores de Liverpool), Antonino Milone (Universidad de Padova), Renuka Pechetti (Universidad John Moores de Liverpool) y Glenn van de Ven (Universidad de Viena).