Gracias a la misión Gaia, el proyecto más ambicioso de la Agencia Espacial Europea (ESA) para detallar la cartografía estelar de nuestra galaxia, se ha descubierto en la Vía Láctea un agujero negro masivo de origen estelar, el Gaia BH3. Este tipo de agujero negro se había localizado antes en galaxias lejanas mediante observaciones de olas gravitatorias, y ahora es identificado por primera vez en esta galaxia. En el descubrimiento ha participado un equipo liderado por Jordi Portell, subdirector de la Unidad Tecnológica del Instituto de Ciencias del Cosmos de la UB (ICCUB-Tech), ubicada en el Parque Científico de Barcelona.

Este hallazgo excepcional confirma algunas teorías y exige revisar otras. Se trata de un agujero negro inactivo, es el segundo más cercano a la Tierra —se encuentra a una distancia de 590 pc (o 1926 años luz)—, tiene unas treinta y tres masas solares y forma un amplio sistema binario con su estrella acompañante. Este es un resultado emocionante para la comunidad astronómica, que hace que nos preguntemos cuántos agujeros negros de este tipo hay en el espacio, o qué rangos de masas de agujeros negros podrá descubrir la misión Gaia.

En este hallazgo, publicado en la prestigiosa revista Astronomy & Astrophysics, ha participado un equipo de astrónomos e ingenieros del Departamento de Física Cuántica y Astrofísica, el Instituto de Ciencias del Cosmos (ICCUB) de la Universidad de Barcelona y el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), que forman parte desde los inicios de la misión Gaia, el proyecto más ambicioso de la Agencia Espacial Europea (ESA) para estudiar la historia y la estructura de la Vía Láctea.

¿Cómo se puede detectar un agujero negro inactivo?

Si el agujero negro está inactivo, ¿no es muy difícil poder detectarlo? Los agujeros negros más conocidos se detectan a través de los rayos X que emiten cuando el material de su compañero estelar es devorado. Con los agujeros negros inactivos, la fuente emite poca o ninguna radiación, por lo que el agujero negro solo puede verse realmente por el efecto gravitatorio que ejerce sobre su estrella acompañante. Los agujeros negros inactivos nunca se habían detectado antes de la misión Gaia. En concreto, después de la publicación de la tercera entrega de datos de Gaia —la Gaia Data Release (DR3)—, se pudieron identificar los primeros agujeros negros inactivos de nuestra galaxia: Gaia BH1 y Gaia BH2.

«¡Es un auténtico unicornio! No es como nada que hayamos visto nunca. Este es el tipo de descubrimiento que se puede hacer una vez en su vida investigadora. Hasta ahora, la colaboración LIGO-Virgo-KAGRA solo ha detectado agujeros negros tan grandes en galaxias lejanas, gracias a las observaciones de ondas gravitatorias», dice el experto Pasquale Panuzzo, del Observatorio de París del Centro Nacional para la Investigación Científica (CNRS) en Francia, y autor principal del artículo.

«Es impresionante ver el impacto transformador que tiene la misión Gaia en la astronomía y la astrofísica», señala la profesora Carole Mundell, directora científica de la ESA. «Sus descubrimientos que hace van mucho más allá del propósito original de la misión, que es crear un mapa multidimensional extraordinariamente preciso de más de mil millones de estrellas en toda nuestra Vía Láctea.»

El agujero negro de origen estelar más masivo en nuestra galaxia

Pero, ¿qué hace que este hallazgo sea tan sorprendente? Sobre todo, la gran masa del agujero negro. Con treinta y tres masas solares, Gaia BH3 no es solo el agujero negro de origen estelar más masivo conocido en nuestra galaxia, sino que también está en línea con los resultados obtenidos por observatorios de ondas gravitacionales como LIGO/VIRGO/KAGRA. Estos equipamientos encontraron a una población de agujeros negros con masas que contradicen los modelos de evolución estelar a través de la observación de las ondas gravitatorias procedentes de fenómenos de fusión de agujeros negros. El hallazgo de Gaia confirma que en nuestra propia Vía Láctea también existen agujeros negros masivos con origen estelar.

La mayoría de los agujeros negros de origen estelar de nuestra galaxia tienen una masa de unas 10 masas solares, y su valor récord lo tenía hasta ahora el agujero negro de Cyg X-1, con una masa calculada de unas veinte veces la del Sol. Gaia BH3 va mucho más allá y es el nuevo récord de nuestra galaxia. Su masa también se fija con una precisión inigualable (32,7 +/- 0,82 M_solar), un valor que se sitúa firmemente en el rango de 30 masas solares.

El segundo agujero negro más cercano a la Tierra

Este agujero negro, que se encuentra a una distancia de 1926 años luz, es actualmente el segundo más cercano a la Tierra. ¿Por qué ese agujero negro solo se puede ver ahora? El período de tiempo más largo de observaciones que constituirá la base de la Gaia Data Release 4 (DR4) es decisivo para responder a esta cuestión.

Se calcula que la órbita de la compañera estelar en torno a su centro de masa común es de 11,6 años. Esto significa que, con 5,5 años de datos que se están procesando para el próximo DR4, Gaia es capaz de mapear la mitad de su órbita. Esto es suficiente para distinguir la oscilación adicional en la posición y movimiento de la estrella acompañante. Se espera que, con un período de tiempo más largo de observaciones de Gaia, se puedan identificar cada vez más sistemas binarios. Por tanto, es de esperar que las próximas publicaciones de datos de Gaia revelen muchos resultados excepcionales.

Un compañero estelar intrigante

La estrella que orbita el Gaia BH3, a unas dieciséis veces la distancia Sol-Terra, es bastante excepcional: es una antigua estrella gigante, que se formó los primeros dos mil millones de años después del Big Bang, en el momento en que nuestra galaxia empezó a crearse. Forma parte de la familia del halo galáctico estelar y se está moviendo en dirección contraria a las estrellas del disco galáctico. Su trayectoria indica que esta estrella probablemente formaba parte de una pequeña galaxia, o un cúmulo globular, que nuestra propia galaxia tragó por nuestra propia galaxia hace más de ocho mil millones de años.

Por ahora, el proceso de formación de este sistema binario con un agujero negro plantea muchas incógnitas. Este nuevo agujero negro desafía nuestra comprensión de cómo se desarrollan y evolucionan las estrellas masivas.

Hasta ahora, los datos de la misión Gaia solo han desvelado la punta del iceberg. Los períodos de tiempo más largos de las futuras publicaciones de Gaia revelarán, sin duda, otros sistemas binarios que contienen agujeros negros, pero también exoplanetas y otros sistemas binarios exóticos. La Gaia Data Release (DR4) se basará en 5,5 años de observaciones, casi el doble del período de tiempo de la tercera entrega de datos, con cerca de tres años de observaciones. Actualmente, se espera que la vida útil completa de Gaia sea de unos 10,5 años.

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» Artículo de referencia:Gaia Collaboration; Panuzzo, P. et al. «Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry». Astronomy & Astrophysics, abril de 2024. Doi: 10.1051/0004-6361/202449763