Gràcies a la missió Gaia, el projecte més ambiciós de l’Agència Espacial Europea (ESA) per detallar la cartografia estel·lar de la nostra galàxia, s’ha descobert a la Via Làctia un forat negre massiu d’origen estel·lar, el Gaia BH3. Aquest tipus de forat negre s’havia localitzat abans en galàxies llunyanes mitjançant observacions d’ones gravitatòries, i ara és identificat per primer cop en aquesta galàxia. En la descoberta hi ha participat un equip liderat per Jordi Portell, sotsdirector de la Unitat Tecnològica de l’Institut de Ciències del Cosmos de la UB (ICCUB-Tech), ubicada al Parc Científic de Barcelona.

Aquesta troballa excepcional confirma algunes teories i exigeix revisar-ne d’altres. Es tracta d’un forat negre inactiu, que és el segon més pròxim a la Terra —es troba a una distància de 590 pc (o 1926 anys llum)—, equival unes trenta-tres masses solars i forma un ampli sistema binari amb la seva estrella acompanyant. És un resultat emocionant per a la comunitat astronòmica, que fa que ens preguntem quants forats negres d’aquest tipus hi ha a l’espai o quins rangs de masses de forats negres podrà descobrir la missió Gaia.

En aquesta descoberta, publicada a la prestigiosa revista Astronomy & Astrophysics, hi ha participat un equip dʼastrònoms i enginyers del Departament de Física Quàntica i Astrofísica de la Universitat de Barcelona (UB), l’Institut de Ciències del Cosmos de la UB (ICCUB) i lʼInstitut dʼEstudis Espacials de Catalunya (IEEC), que des dels inicis formen part de la missió Gaia, el projecte més ambiciós de l’ESA per estudiar la història i l’estructura de la Via Làctia.

Com es pot detectar un forat negre inactiu?

Si el forat negre està inactiu, no és molt difícil detectar-lo? Els forats negres més coneguts es localitzen a través dels rajos X que emeten quan el material del seu company estel·lar és devorat. Amb els forats negres inactius, la font emet poca radiació o gens, de manera que el forat negre només es pot veure realment per l’efecte gravitatori que exerceix sobre la seva estrella acompanyant. Els forats negres inactius no s’havien detectat mai abans de la missió Gaia de l’ESA. En concret, després d’haver publicat el tercer lliurament de dades de Gaia —el Gaia Data Release (DR3)—, es van poder identificar els primers forats negres inactius de la nostra galàxia: el Gaia BH1 i el Gaia BH2.

“És un autèntic unicorn! No és com res que hàgim vist mai. Aquest és el tipus de descobriment que es pot fer una vegada a la vida investigadora. Fins ara, la col·laboració LIGO-Virgo-KAGRA només ha detectat forats negres tan grans en galàxies llunyanes gràcies a les observacions d’ones gravitatòries», afirma l’expert Pasquale Panuzzo, de l’Observatori de París del Centre Nacional per a la Investigació (CNRS), a França, i autor principal de l’article.

“És impressionant veure l’impacte transformador que té la missió Gaia en l’astronomia i l’astrofísica”, assenyala la professora Carole Mundell, directora científica de l’ESA. “Els descobriments que fa van molt més enllà del propòsit original de la missió, que és crear un mapa multidimensional extraordinàriament precís de més de mil milions d’estrelles a tota la Via Làctia.”

El forat negre d’origen estel·lar més massiu a la nostra galàxia

Però, què fa que aquesta troballa sigui tan sorprenent? Sobretot, la gran massa del forat negre. Amb trenta-tres masses solars, el Gaia BH3 no és només el forat negre d’origen estel·lar més massiu conegut a la galàxia, sinó que també està en línia amb els resultats obtinguts per observatoris d’ones gravitacionals com LIGO-Virgo-KAGRA. Aquests equipaments van trobar una població de forats negres amb masses que contradiuen els models d’evolució estel·lar a través de l’observació de les ones gravitatòries procedents de fenòmens de fusió de forats negres. La troballa de la missió Gaia confirma que a la nostra pròpia galàxia, la Via Làctia, també existeixen forats negres massius amb origen estel·lar.

La majoria dels forats negres d’origen estel·lar de la galàxia tenen una massa d’unes deu masses solars, i el valor rècord el tenia fins ara el forat negre Cyg X-1, amb una massa calculada d’unes vint vegades la del Sol. El Gaia BH3 va molt més enllà i és el nou rècord de la galàxia. La seva massa es fixa amb una precisió inigualable (32,7 +/- 0,82 M_solar), un valor que se situa clarament en el rang de les trenta masses solars.

El segon forat negre més pròxim a la Terra

Aquest forat negre, que es troba a una distància de 1.926 anys llum, és actualment el segon més pròxim a la Terra. Per què només es pot veure ara? El període de temps més llarg d’observacions que constituirà la base del Gaia Data Release 4 (DR4) és decisiu per respondre a aquesta qüestió.

Es calcula que l’òrbita de la companya estel·lar al voltant del seu centre de massa comú és d’11,6 anys. Això significa que, amb 5,5 anys de dades que s’estan processant per al proper DR4, la missió Gaia és capaç de mapar la meitat de la seva òrbita. Amb això n’hi ha prou per distingir l’oscil·lació addicional en la posició i el moviment de l’estrella acompanyant. S’espera que amb un període de temps més llarg d’observacions de la missió Gaia es puguin identificar cada cop més sistemes binaris. Per tant, és probable que les pròximes publicacions de dades de Gaia revelin molts resultats excepcionals.

Un company estel·lar intrigant

La composició de l’estrella acompanyant també pot donar llum sobre el mecanisme de formació d’aquest sorprenent sistema binari. L’estrella que orbita el Gaia BH3, a unes setze vegades la distància Sol-Terra, és força excepcional: és una antiga estrella gegant, que es va formar els primers dos mil milions d’anys després del big-bang, en el moment en què la nostra galàxia va començar a crear-se. Forma part de la família de l’halo galàctic estel·lar i s’està movent en direcció contrària a les estrelles del disc galàctic. La trajectòria indica que aquesta estrella probablement formava part d’una petita galàxia, o un cúmul globular, que la nostra pròpia galàxia va engolir fa més de vuit mil milions d’anys.

Ara com ara, el procés de formació d’aquest sistema binari amb un forat negre planteja moltes incògnites i desafia la nostra comprensió sobre com es desenvolupen i evolucionen les estrelles massives.

Fins ara, les dades de la missió Gaia només han desvelat la punta de l’iceberg. Els períodes de temps més llargs en les futures publicacions de Gaia revelaran altres sistemes binaris que contenen forats negres, però també exoplanetes i altres sistemes binaris exòtics. El Gaia Data Release (DR4) estarà basat en 5,5 anys d’observacions, gairebé el doble del període de temps del tercer lliurament de dades, amb prop de tres anys d’observacions. Actualment, s’espera que la vida útil completa de Gaia sigui d’uns 10,5 anys.

» Enllaç a la notícia: web de l’ICCUB [+]

» Article de referència: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