Sin necesidad de supernovas: demuestran que una estrella puede colapsar directamente en un agujero negro

Ahora, otro equipo de científicos, esta vez del Instituto Max Planck de Astrofísica y el Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhage, ha estudiado a fondo el peculiar sistema binario y ha encontrado, por primera vez, evidencia de que se pueden formar agujeros negros 'directamente' tras el colapso de una estrella muy masiva, esto es, sin pasar por la dramática y habitual explosión como supernova.

Desde hace años, los astrónomos conocen sistemas estelares binarios en la Vía Láctea en los que una estrella está emparejada con un agujero negro. «El descubrimiento del agujero negro binario VFTS 243 en nuestra vecina Gran Nube de Magallanes -asegura Alejandro Vigna-Gómez, primer firmante de un artículo publicado en 'Physical Review Letters'- fue extraordinario, y el sistema en sí es notable«.

La experiencia nos dice que las estrellas que son varias veces más masivas que el Sol a menudo terminan sus vidas como supernovas, violentas explosiones que durante un tiempo brillan más que todas las estrellas de una galaxia. Durante estos eventos, el denso núcleo metálico de la estrella colapsa, se hunde sobre sí mismo liberando una inmensa energía, principalmente en forma de neutrinos. Luego, las capas exteriores de la estrella son expulsadas violentamente al espacio a velocidades de cientos a miles de kilómetros por segundo. Este material expulsado, que puede igualar varias veces la masa del Sol, crea asimetrías a gran escala en los restos de la explosión, observables incluso mucho después de que se produzca la supernova.

Dichas asimetrías y enormes eyecciones de masa afectan directamente al extraordinariamente denso remanente del núcleo, una recién formada estrella de neutrones, que experimenta un violento retroceso -una 'patada natal'- que altera abruptamente su velocidad. Hay abundante evidencia de estos impulsos de las estrellas de neutrones, ya que las observamos moviéndose a grandes velocidades a lo largo de la Vía Láctea. Sin embargo, en el caso agujeros negros nacidos de un colapso directo de la estrella, sin explosión alguna, estas asimetrías, y las 'patadas natales' asociadas, son mínimas.

El reciente descubrimiento de estrellas que parecen 'desaparecer' de repente sin dejar rastro alguno sugiere que el número de estrellas masivas que colapsan de este modo, formando agujeros negros sin necesidad de explotar, debe ser enorme aunque, a diferencia de las brillantes supernovas, no podamos verlas. Sin embargo, no está claro cuánta masa pierden estas estrellas durante la formación de los agujeros negros, ni qué tan grandes son sus 'patadas natales'. Por lógica, si la estrella masiva colapsa directamente en un agujero negro, no se expulsa materia al espacio y la energía se pierde predominantemente a través de los neutrinos. «El sistema VFTS 243 nos ha permitido probar este escenario», afirma Vigna-Gómez.

Allí, en efecto, una estrella diez veces más masiva que el Sol terminó sus días como consecuencia de una implosión. Con los modelos más modernos de colapso estelar desarrollados en el Instituto Max Planck de Astronomía, los investigadores calcularon los efectos en la órbita de un sistema estelar binario durante la formación del agujero negro. Y en el escenario de colapso total, la enorme energía gravitacional liberada durante la formación del agujero negro es transportada exclusivamente por las fantasmagóricas y extremadamente ligeras partículas conocidas como neutrinos.

«Sondear los procesos físicos que tienen lugar en el interior más profundo de las estrellas que colapsan es extremadamente difícil y sólo es posible en circunstancias especiales -afirma H.-Thomas Janka, coautor del artículo-. El agujero negro observado en el sistema binario VFTS 243, añade por su parte el también coautor Daniel Kresse, »es un caso muy especial. Nos permitió concluir, por primera vez, que los neutrinos se emiten casi por igual en todas las direcciones cuando el progenitor masivo colapsa para formar el agujero negro«.

Por lo tanto, concluye Vigna Gómez, «nuestro estudio es un excelente ejemplo de la sinergia entre teoría y observación. La combinación de modelos numéricos avanzados de colapso estelar con los principios de las supernovas en sistemas estelares binarios nos permitió obtener información crucial sobre el escenario del colapso completo, en particular demostrando que se pueden formar agujeros negros masivos sin necesidad de una explosión».