Hubble descubre novedades en la concentración espacial de agujeros negros

Los astrónomos encontraron algo inesperado en el corazón del cúmulo globular NGC 6397: una concentración de agujeros negros más pequeños en lugar de un agujero negro masivo.

Los cúmulos globulares son sistemas estelares extremadamente densos, que albergan estrellas que están muy juntas. Estos sistemas también suelen ser muy antiguos: el cúmulo globular en el que se ha centrado este estudio, NGC 6397, es casi tan antiguo como el propio universo. NGC 6397 reside a 7.800 años luz de distancia con respecto a la Tierra, por lo que lo convierte en uno de los cúmulos globulares más cercanos a nuestra ubicación. Debido a que su núcleo es muy denso, se lo conoce como cúmulo de núcleo colapsado.

La cantidad de masa que puede acumular un agujero negro varía ampliamente desde menos del doble de la masa de nuestro Sol hasta más de mil millones de veces la masa de nuestra estrella. A medio camino hay agujeros negros de masa intermedia, de cientos a decenas de miles de masas solares. Por ello, el tamaño de los agujeros negros varía entre pequeños, medianos y grandes.
Créditos: NASA, ESA, T. Brown, S. Casertano y J. Anderson (STScI).

Inicialmente, los astrónomos pensaron que el cúmulo globular albergaba un agujero negro de masa intermedia. Este tipo de agujeros negros son el tan buscado “eslabón perdido” entre los agujeros negros supermasivos (muchos millones de veces la masa de nuestro Sol) que se encuentran en los núcleos de las galaxias y los agujeros negros de masa estelar (unas pocas veces la masa de nuestro Sol) que se forman después del colapso de una sola estrella masiva. Su mera existencia es objeto de acalorados debates. Hasta la fecha, solo se han identificado unos pocos candidatos.

“Encontramos pruebas muy sólidas de una masa invisible en el denso núcleo del cúmulo globular, pero nos sorprendió descubrir que esta masa extra no estaba ‘como un punto’ (que se esperaría de un agujero negro masivo solitario), sino extendida en un pequeño porcentaje del tamaño del cúmulo “, dijo Eduardo Vitral del Instituto de Astrofísica de París (IAP) en París, Francia.

Para detectar la elusiva masa oculta, Vitral y Gary Mamon (también del IAP) utilizaron las velocidades de las estrellas del cúmulo para determinar la distribución de su masa total. Cuanto mayor es la masa que se localiza en algún lugar, más rápido viajan las estrellas que se encuentran a su alrededor.

Los investigadores utilizaron estimaciones previas de los diminutos movimientos de las estrellas (sus movimientos aparentes en el cielo), que permiten determinar sus velocidades reales dentro del cúmulo. Las mediciones precisas de las estrellas del núcleo del cúmulo, solo se pudieron realizar con el Hubble durante varios años de observación. Los datos del Hubble se agregaron a medidas de movimiento bien calibradas proporcionadas por el observatorio espacial Gaia, de la Agencia Espacial Europea, que son menos precisas que las observaciones del núcleo a través del Hubble.

“Nuestro análisis indicó que las órbitas de las estrellas son casi aleatorias en todo el cúmulo globular, en lugar de sistemáticamente circulares o muy alargadas”, explicó Mamon. Estas formas orbitales de alargamiento moderado orientan sobre cuál debe ser la masa interior.

Los astrónomos que buscaban un agujero negro de masa intermedia en el corazón del cúmulo globular NGC 6397, encontraron algo que no esperaban: una concentración de agujeros negros más pequeños, en lugar de un agujero negro masivo.
Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA.

Los investigadores concluyen que el componente invisible solo puede estar formado por los restos de estrellas masivas (enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros) dada su masa, extensión y ubicación. Estos cadáveres estelares se hundieron progresivamente hacia el centro del cúmulo después de experimentar interacciones gravitacionales con estrellas cercanas menos masivas. Este juego de pinball estelar se llama “fricción dinámica”, donde, a través de momentos de impulsos gravitacionales, las estrellas más pesadas se segregan en el núcleo del cúmulo y las estrellas de menor masa migran a la periferia del cúmulo.

“Usamos la teoría de la evolución estelar para concluir que la mayor parte de la masa extra que encontramos estaba en forma de agujeros negros”, dijo Mamon. Otros dos estudios recientes también han propuesto que los restos estelares, en particular los agujeros negros de masa estelar, podrían poblar las regiones internas de los cúmulos globulares. “El nuestro es el primer estudio que proporciona tanto la masa como la extensión de lo que parece ser, en su mayoría, una colección de agujeros negros en el centro de un cúmulo globular colapsado en el núcleo“, agregó Vitral.

Los astrónomos también señalan que este descubrimiento plantea la posibilidad de que las fusiones de estos agujeros negros apretados en cúmulos globulares puedan ser una fuente importante de ondas gravitacionales, ondas a través del espacio-tiempo. Tales fenómenos podrían ser detectados por el experimento del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, financiado por la National Science Foundation y operado por Caltech en Pasadena, California y MIT en Cambridge, Massachusetts.

El telescopio espacial Hubble es un proyecto de cooperación 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 las operaciones científicas del Hubble. STScI es operado para la NASA por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía en Washington, D.C.