Así descubrirá agujeros negros solitarios el Roman Space Telescope de la NASA

Esta imagen representa el concepto de microlente gravitacional con un agujero negro.
Crédito: Laboratorio de imágenes conceptuales del Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA.

“Los astrónomos han identificado unos 20 agujeros negros de masa estelar hasta ahora en la Vía Láctea, y todos tienen un compañero al que podemos ver”, dijo Kailash Sahu, astrónomo del Space Telescope Science Institute, en Baltimore. “Muchos científicos, incluido yo mismo, hemos pasado años tratando de encontrar agujeros negros independientes utilizando otros telescopios. Es emocionante que con el Roman Space Telescope finalmente sea posible “.

Creando un agujero negro

Las estrellas parecen balizas eternas, pero cada una nace con un suministro limitado de combustible. Las estrellas pasan la mayor parte de sus vidas convirtiendo el hidrógeno de sus centros en helio, lo que genera una enorme cantidad de energía. Este proceso, llamado fusión nuclear, es como una explosión controlada: un juego de tira y afloja finamente equilibrado entre la presión exterior y la gravedad.

Pero a medida que el combustible de una estrella se va agotando y la fusión se ralentiza, la gravedad se impone y el núcleo de la estrella se contrae. Esta presión hacia el interior calienta el núcleo y provoca una nueva etapa de fusión, que produce tanta energía, que las capas externas de la estrella se expanden. La estrella aumenta de tamaño, su superficie se enfría y se convierte en una gigante roja o supergigante.

El tipo de cadáver estelar resultante depende de la masa de la estrella. Cuando una estrella similar al Sol se queda sin combustible, normalmente expulsa sus capas externas, y solo queda un pequeño núcleo caliente llamado enana blanca. La enana blanca se desvanecerá con el tiempo. A nuestro Sol le quedan unos cinco mil millones de años de combustible.

Las estrellas más masivas se calientan más, por lo que gastan su combustible más rápido. Por encima de unas ocho veces la masa del Sol, la mayoría de las estrellas están condenadas a morir en explosiones cataclísmicas llamadas supernovas antes de convertirse en agujeros negros. Las estrellas con masas tan altas pueden saltarse el paso de la explosión y colapsar directamente en agujeros negros.

Los núcleos de estas estrellas masivas colapsan hasta el punto en el que sus protones y electrones se fusionan para formar neutrones. Si lo que queda de núcleo tiene aproximadamente tres masas solares, el colapso se detiene en ese punto, conformando una estrella de neutrones.

Si lo que queda del núcleo tiene másde tres masas solares, ni siquiera los neutrones pueden soportar la presión y el colapso continúa hasta formar un agujero negro.

Millones de estrellas masivas han pasado ya por este proceso y sus restos están presentes por toda la galaxia como agujeros negros. Los astrónomos creen que debería haber alrededor de 100 millones de agujeros negros de masa estelar en nuestra galaxia, pero solo hemos podido detectarlos cuando modifican significativamente su entorno. Los astrónomos pueden deducir la presencia de un agujero negro cuando se forman discos de acreción calientes y brillantes a su alrededor, o cuando ven estrellas en órbita alrededor de un objeto masivo pero invisible.

“Roman revolucionará nuestra búsqueda de agujeros negros porque nos ayudará a encontrarlos incluso cuando no haya nada cerca”, dijo Sahu. “La galaxia debería estar llena de estos objetos”.

Viendo lo invisible

Roman utilizará principalmente una técnica llamada microlente gravitacional para descubrir planetas más allá de nuestro sistema solar. Cuando un objeto masivo, como una estrella, cruza frente a una estrella más lejana desde nuestro punto de vista, la luz de la estrella más lejana se doblará a medida que viaja a través del espacio-tiempo curvo alrededor de la más cercana.

El resultado es que la estrella más cercana actúa como una lente natural, aumentando la luz de la estrella de fondo. Los planetas que orbitan alrededor de la estrella de la lente pueden producir un efecto similar en una escala más pequeña.

Además de hacer que una estrella distante se observe con más luminosidad, un objeto con lente más masivo puede deformar tanto el espacio-tiempo que puede llegar a alterar notablemente la ubicación aparente de la estrella distante en el firmamento. Este cambio de posición, llamado microlente astrométrico, es extremadamente pequeño: solo alrededor de un milisegundo de arco. Usando la exquisita resolución espacial del Roman Space Telescope para detectar un movimiento aparente tan pequeño, (el signo revelador de la existencia de un agujero negro masivo) los astrónomos podrán cuantificar la masa, la distancia y el movimiento del agujero negro a través de la galaxia.

Las señales de microlente son tan raras que los astrónomos necesitan monitorear cientos de millones de estrellas durante largos períodos de tiempo para poder capturarlas. Los observatorios deben poder rastrear la posición y el brillo de la estrella de fondo de manera extremadamente precisa, algo que solo se puede hacer fuera de la atmósfera de la Tierra. La ubicación del Roman Space Telescope en el espacio y su enorme campo de visión, nos brindarán la mejor oportunidad hasta ahora para calcular la población de agujeros negros de nuestra galaxia.

“Los agujeros negros de masa estelar que hemos descubierto en sistemas binarios tienen propiedades extrañas en comparación con lo que esperábamos”, dijo Sahu. “Son unas 10 veces más masivos que el Sol, pero creemos que deberían abarcar un rango mucho más amplio de entre tres y 80 masas solares. Al realizar un censo de estos objetos, el Roman Space Telescope nos ayudará a comprender mejor la agonía de las estrellas “.

El Telescopio Espacial Nancy Grace Roman se administra en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, con la participación del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y Caltech / IPAC en el Sur de California, el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, y un equipo científico compuesto por científicos de varios instituciones de investigación. Los principales socios industriales son Ball Aerospace and Technologies Corporation en Boulder, Colorado, L3Harris Technologies en Melbourne, Florida y Teledyne Scientific & Imaging en Thousand Oaks, California.