Los astrónomos han observado directamente que una muerte masiva evita una explosión de supernova y en su lugar colapsa en un agujero negro. Este evento proporciona el conjunto de observaciones más detallado jamás realizado de una estrella que realizó esa transición, brindando a los investigadores una visión inusualmente completa de cómo se forman los agujeros negros estelares.
Combinando datos recientes de telescopios con más de una década de observaciones archivadas, los científicos han podido probar y refinar teorías de larga data sobre cómo las estrellas más masivas terminan con sus vidas. En lugar de explotar hacia afuera en una brillante supernova, el centro de esta estrella cedió bajo la gravedad y creó un agujero negro. En el proceso, sus inestables capas exteriores fueron empujadas gradualmente hacia afuera.
Resultados, publicados el 12 de febrero. cienciaLlaman la atención porque ofrecen una mirada poco común al nacimiento de un agujero negro. Los hallazgos pueden ayudar a explicar por qué algunas estrellas masivas explotan dramáticamente hacia el final de sus vidas, mientras que otras colapsan silenciosamente.
“Esto es sólo el comienzo de la historia”, dijo Kishaloy Dey, investigador científico asociado del Instituto Flatiron de la Fundación Simons y autor principal del nuevo estudio. La luz de los escombros polvorientos que rodean el naciente agujero negro, dice, “será visible durante décadas al nivel de sensibilidad de telescopios como el Telescopio Espacial James Webb, porque se desvanecerá muy lentamente. Y podría ser un punto de referencia para comprender cómo se forman los agujeros negros estelares en el Universo”.
La desaparición de M31-2014-DS1 en Andrómeda
La estrella, conocida como M31-2014-DS1, estaba situada a unos 2,5 millones de años luz de distancia en la galaxia de Andrómeda. Dee y sus colegas examinaron los datos recopilados entre 2005 y 2023 de la misión NEOWISE de la NASA junto con otros telescopios terrestres y espaciales. Descubrieron que la estrella comenzó a brillar en luz infrarroja en 2014. Luego, en 2016, su brillo disminuyó drásticamente en menos de un año.
Para 2022 y 2023, la estrella casi había desaparecido en longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas, desvaneciéndose a sólo diez milésimas de su brillo anterior en esas bandas. Lo que queda ahora sólo puede detectarse en luz infrarroja media, donde brilla aproximadamente a una décima parte de su intensidad original.
Dee dijo: “Esta estrella era la estrella más brillante de la galaxia de Andrómeda, y ahora no se ve por ninguna parte. Imagínese si la estrella Betelgeuse desapareciera repentinamente. ¡Todos perderían la cabeza! Lo mismo le sucedió a esta estrella en la galaxia de Andrómeda”.
Cuando el equipo comparó las observaciones con las predicciones teóricas, concluyó que una disminución tan extrema del brillo indicaba claramente que el núcleo de la estrella se había colapsado y había formado un agujero negro.
¿Por qué algunas estrellas masivas no logran explotar?
Brillan porque la fusión nuclear en sus núcleos convierte el hidrógeno en helio, creando una presión hacia afuera que contrarresta la gravedad. En estrellas al menos 10 veces más masivas que nuestro Sol, este equilibrio eventualmente se rompe cuando el combustible nuclear se agota. Luego, la gravedad supera la presión exterior, lo que provoca que el núcleo colapse y forme una estrella de neutrones densa.
En muchos casos, la avalancha de neutrinos emitida durante este colapso crea una poderosa onda de choque que desintegra la estrella en una supernova. Pero si esa onda de choque es demasiado débil para expulsar el material circundante, gran parte de la estrella puede ser arrojada hacia adentro. Los modelos teóricos han sugerido durante mucho tiempo que este retroceso podría convertir la estrella de neutrones en un agujero negro.
“Sabemos desde hace casi 50 años que existen los agujeros negros”, dijo Dee, “pero no entendemos qué estrellas se convierten en agujeros negros y cómo lo hacen”.
La convección juega un papel clave
Un estudio detallado de M31-2014-DS1 ha ayudado a los investigadores a volver a visitar un objeto similar, NGC 6946-BH1, que fue identificado hace una década. Un nuevo análisis de ambos casos revela un importante elemento faltante para comprender qué sucede con las capas externas de una estrella después de una supernova fallida. La respuesta está en la circulación.
La convección se produce por grandes diferencias de temperatura dentro de una estrella. El núcleo está extremadamente caliente, mientras que las capas exteriores están mucho más frías. Este contraste impulsa la circulación de gases entre las regiones frías y calientes.
Cuando el núcleo colapsa, el gas exterior sigue activo debido a este proceso de agitación. Según los modelos desarrollados en el Instituto Flatiron, este movimiento evita que la mayor parte del material exterior se hunda directamente en el agujero negro. En cambio, algunas de las capas internas rodean el agujero negro, mientras que las capas externas empujan hacia afuera.
A medida que el material expulsado se aleja, se enfría. A bajas temperaturas, los átomos y las moléculas se combinan para formar partículas de polvo. Ese polvo bloquea la luz del gas caliente cerca del agujero negro, absorbiendo la energía y reemitiéndola en longitudes de onda infrarrojas. El resultado es un brillo rojizo duradero que puede durar décadas después de que la estrella original haya desaparecido.
La coautora e investigadora de Flatiron, Andrea Antoni, desarrolló el marco teórico detrás de estos modelos de convección. Basándose en las nuevas observaciones, dijo: “La tasa de acreción (la tasa de colapso del material) es mucho más lenta que si la estrella hubiera entrado directamente. Este material conductor tiene momento angular, por lo que gira alrededor del agujero negro. Se necesitan décadas, no meses o un año, para caerse. Y debido a todo esto, puede ser una fuente brillante, podemos hacer que dure más tiempo. El desvanecimiento de la estrella original”.
Al igual que el agua que fluye por un desagüe, el gas continúa orbitando el agujero negro recién formado mientras la gravedad lo atrae lentamente hacia adentro. Este colapso retardado significa que toda la estrella no colapsa a la vez. Incluso después de que el núcleo cede rápidamente, algunos elementos regresan lentamente a lo largo de muchas décadas.
Los investigadores estiman que alrededor del uno por ciento de la envoltura exterior del núcleo de la estrella eventualmente alimenta el agujero negro, produciendo la tenue luz que todavía se observa hoy.
Creando una imagen más amplia de la formación de agujeros negros
Mientras analizaban M31-2014-DS1, el equipo también reexaminó NGC 6946-BH1. El nuevo estudio proporciona pruebas sólidas de que ambas estrellas siguieron el mismo camino. Lo que al principio parecía un caso inusual ahora es parte de una categoría más amplia de supernovas fallidas que silenciosamente crean agujeros negros.
M31-2014-DS1 inicialmente se destacó como un “bicho raro”, dijo Day, pero ahora parece ser uno de varios ejemplos, incluido NGC 6946-BH1.
“Sólo con estas joyas de descubrimiento individuales podemos comenzar a reconstruir esa imagen”, dijo Day.
