Descubren una nueva clase de agujero negro

En palabras del propio Thompson: «Estamos mostrando una pista que indica que hay otra población ahí fuera que aún está por investigar en nuestra búsqueda de agujeros negros».

Según el astrónomo, lo que sabemos hasta ahora sería como fiarnos del censo de una ciudad en la que solo se hubieran tenido en cuenta los habitantes de más de 1,70 metros, y en la que nadie, además, supiera siquiera que es posible que haya personas más bajas. Desde luego, los datos de ese censo no representarían a la población real de la ciudad, y para Thompson eso es exactamente lo que está sucediendo con la búsqueda de agujeros negros.

Durante mucho tiempo, los astrónomos han buscado agujeros negros con una fuerza de gravedad tan fuerte que nada, ni materia ni radiación, puede escapar de sus garras una vez cruzado el horizonte de sucesos, la línea imaginaria a partir de la que el regreso es imposible. Normalmente, los agujeros negros se forman cuando estrellas con una masa elevada mueren, se contraen y explotan. Si por el contrario la estrella original es más pequeña y no tiene la masa crítica, al morir puede formar otro objeto de gran interés, una estrella de neutrones , una «pieza» que también resulta muy codiciada por los investigadores.

Ambos tipos de objetos, agujeros negros y estrellas de neutrones, pueden contener valiosa información sobre los elementos que hay en la Tierra (los más pesados, en efecto, se forman durante las explosiones estelares), y también sobre cómo las estrellas viven y mueren. Pero para poder acceder a toda esa información, primero hay que averiguar dónde están los agujeros negros. Y para descubrirlos, lo mínimo es saber exactamente qué es lo que se está buscando .

Según Thompson, ahí es precisamente donde fallamos. Tenemos algunas pistas, desde luego, que evitan que nuestra búsqueda sea completamente a ciegas, y las más fructíferas nos las brindan los sistemas binarios, esto es, parejas de estrellas muy cercanas entre sí que, debido a su gravedad, se orbitan la una a la otra. Sucede que cuando una de esas estrellas muere, su compañera aún puede seguir brillando y orbitando alrededor del espacio donde estaba la estrella muerta, que podría haberse convertido en un agujero negro o en una estrella de neutrones.

Durante largos años, los agujeron negros que los astrónomos han ido conociendo de esta forma tenían aproximadamente entre cinco y quince veces la masa del Sol, mientras que las estrellas de neutrones no suelen superar las dos masas solares, ya que si estuvieran por encima de 2,5 veces la masa del Sol colapsarían a su vez en agujeros negros.

Pero en verano de 2017 todo cambió. El detector de ondas gravitacionales LIGO, en efecto (que no necesita guiarse por el brillo de uno de los miembros de un sistema binario para averiguar si su compañera es un agujero negro), vio cómo dos agujeros negros se fundían en uno solo en una galaxia vecina, a 1,8 millones de años luz de distancia de la Tierra. Uno de esos agujeros negros tenía 31 masas solares, y el otro 25. «De inmediato -explica Thompson- todos pensaron "Guau", porque eso era algo espectacular . Y no solo porque demostró que LIGO funcionaba, sino porque las masas eran enormes. Nunca habíamos visto antes agujeros negros de ese tamaño».

Tanto Thompson como otros investigadores llevaban tiempo sospechando que podrían existir agujeros negros fuera del rango de tamaños conocido, y el descubrimiento de LIGO demostró, en efecto, que podían ser más grandes. ¿Pero qué ocurria con el rango de tamaños que hay entre las estrellas de neutrones más grandes y los agujeros negros más pequeños? Thompson y sus colegas decidieron, precisamente, dedicarse a resolver ese misterio .

Para conseguirlo, el equipo de astrónomos empezó analizando los datos de APOGEE (Experimento de Evolución Galáctica del Observatorio Apache Point), que ha recolectado ya espectros de luz de alrededor de 100.000 estrellas en la Vía Láctea. Esos espectros, en efecto, pueden mostrar si una estrella está orbitando alrededor de otro objeto: si el espectro luminoso cambia primero hacia longitudes de onda más azules, y después vuelve a cambiar hacia longitudes de onda más rojas, significa que primero se estaba acercando (azul) para alejarse después (rojo). Si el patrón se repite, (azul, rojo, azul, rojo...) es muy probable que la estrella esté orbitando a una compañera en un sistema binario. Pero si una estrella muestra ese comportamiento y la estrella compañera resulta invisible, entonces es muy probable que la segunda estrella se haya convertido en un agujero negro.

Thompson redujo las 100.000 estrellas estudiadas por APOGEE a las 200 más interesantes. Y comparó después los datos de esos sistemas binarios potenciales con las imágenes de esas mismas estrellas en otro instrumento, ASAS-SN, que rastrea el cielo en busca de supernovas .

La comparación reveló la presencia de una estrella roja gigante que parecía estar orbitando algo. Pero ese «algo», según los cálculos, era mucho más pequeño que los agujeros negros conocidos en nuestra galaxia, aunque mucho más grande que cualquiera de las estrellas de neutrones de las que tenemos noticia. Al final, y tras llevar a cabo cálculos adicionales con el espectrógrafo Echelle Reflector Tillinghast y el satélite Gaia, los investigadores se dieron cuenta de que habían encontrado un agujero negro de baja masa , unas 3,3 veces la masa del Sol.

«Lo que hemos hecho aquí -concluye Thompson- es encontrar una nueva forma de buscar agujeros negros, pero también hemos identificado uno de una nueva clase de agujeros negros de baja masa que los astrónomos no conocían con anterioridad».