Astrónomos observaron “in fraganti” a una estrella moribunda convertirse en un agujero negro

Un equipo de investigación presenció por primera vez con un nivel de detalle sin precedentes esta transformación, el registro más completo jamás obtenido del nacimiento de un agujero negro estelar.

Los astrónomos han observado cómo una estrella moribunda no explotaba como una supernova, sino que colapsaba formando un agujero negro. Este extraordinario avistamiento es el registro observacional más completo jamás realizado de la transformación de una estrella en un agujero negro, lo que permite a los científicos construir una imagen física completa del proceso. Los resultados se publican este jueves en la revista Science.

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

El descubrimiento ayudará a explicar por qué algunas estrellas masivas se convierten en agujeros negros cuando mueren, mientras que otras no. “Esto es solo el comienzo de la historia”, afirma Kishalay De, investigador asociado del Instituto Flatironde la Fundación Simons y autor principal del nuevo estudio. La luz procedente de los restos que rodean al agujero negro recién formado “será visible durante décadas con la sensibilidad de telescopios como el telescopio James Webb, ya que seguirá desvaneciéndose muy lentamente. Y esto puede acabar siendo un punto de referencia para comprender cómo se forman los agujeros negros estelares en el universo”.

Una estrella supermasiva

“Probablemente sea el descubrimiento más sorprendente de mi vida“, afirma el autor principal. “Las pruebas de la desaparición de la estrella se encontraban en datos de archivos públicos y nadie se dio cuenta durante años hasta que nosotros las detectamos”. La estrella, una supergigante masiva y sin hidrógeno, llamada M31-2014-DS1, se encontraba en la galaxia de Andrómeda, la galaxia más cercana a la Vía Láctea, a unos 2,5 millones de años luz de la Tierra. Cuando se formó, la estrella tenía unas 13 veces el peso del Sol. En el momento de su muerte, tenía casi cinco veces la masa del Sol, ya que había perdido la mayor parte de su masa a través de fuertes vientos durante su vida.

Las observaciones realizadas en 2022 y 2023 mostraron que la estrella prácticamente desapareció en la luz visible y el infrarrojo cercano, reduciendo su brillo a una diezmilésima parte en estas longitudes de onda. Ahora, sus restos solo son detectables en el infrarrojo medio, donde brilla con apenas una décima parte de su intensidad anterior. De acuerdo con el autor del artículo, “esta estrella solía ser una de las más luminosas de la galaxia de Andrómeda y ahora ya no se veía por ninguna parte“.

¿Cómo se forman los agujeros negros?

Las estrellas fusionan hidrógeno en helio en sus núcleos, y ese proceso genera una presión hacia afuera que equilibra la atracción de la gravedad. Cuando una estrella masiva –aproximadamente diez veces más pesada que el Sol– comienza a quedarse sin combustible, se rompe el equilibrio entre las fuerzas. La gravedad comienza a colapsar la estrella, y su núcleo sucumbe 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 desgarrar la mayor parte del núcleo y las capas externas en una supernova. Sin embargo, si la onda de choque impulsada por neutrinos no logra expulsar el material estelar, la teoría sugiere desde hace tiempo que la mayor parte del material estelar volvería a caer en la estrella de neutrones, formando un agujero negro.

“Hace casi 50 años que sabemos que existen los agujeros negros”, afirma el astrónomo. “Pero apenas estamos empezando a comprender qué estrellas se convierten en agujeros negros y cómo lo hacen“. 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 importante avance en la comprensión de lo que había sucedido con las capas externas que habían envuelto a la estrella después de que esta no lograra convertirse en supernova y colapsara en un agujero negro.

Un punto clave hasta ahora desatendido

El estudio apunta a la convección como elemento que se había pasado por alto. La convección es un subproducto –una consecuencia indirecta– de las enormes diferencias de temperatura dentro de la estrella. El material cercano al centro de la estrella es extremadamente caliente, mientras que las regiones externas son mucho más frías. Esta diferencia hace que los gases dentro de la estrella se desplacen de las regiones más calientes a las más frías.

Cuando el núcleo de la estrella colapsa, el gas de sus capas externas sigue moviéndose rápidamente debido a esta convección. Los modelos teóricos desarrollados por los astrónomos del Instituto Flatiron han demostrado que esto impide que la mayor parte de las capas externas caigan directamente hacia dentro. En su lugar, las capas más internas orbitan fuera del agujero negro e impulsan la expulsión de las capas más externas de la región convectiva.

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

De forma similar al agua que gira alrededor del desagüe de una bañera, en lugar de fluir directamente hacia abajo, el gas en movimiento alrededor de este agujero negro continúa en su órbita caótica incluso mientras es atraído lentamente hacia el interior. Por lo tanto, la caída detenida generada por la convección evita que toda la estrella colapse. En cambio, los investigadores proponen que, incluso después de que el núcleo implosione rápidamente, parte del material que sale lentamente vuelve a caer a lo largo de muchas décadas.

Los investigadores estiman que solo alrededor del 1% del gas de la envoltura estelar original cae en el agujero negro, alimentando la luz que emana de él en la actualidad. “Solo con estas joyas individuales del descubrimiento podemos empezar a armar un panorama como este”, concluye el científico.