Lo que nos enseña la extinción de una estrella masiva sobre el origen de los agujeros negros

En la vecina galaxia de Andrómeda, una estrella 13 veces más masiva que el Sol se ha desvanecido sin dejar rastro de su brillo característico.

Entre 2014 y 2024, el brillo de M31-2014-DS1 (el nombre técnico de esta estrella supergigante) cayó a solo una diezmilésima parte de su brillo anterior en el visible y el infrarrojo cercano. De repente se volvió prácticamente indetectable para los instrumentos ópticos actuales. ¿Qué pasó?

Agujero negro en vivo

En un estudio publicado recientemente en la prestigiosa revista Science, investigadores norteamericanos dieron una explicación a este fenómeno: la transformación no violenta de M31-2014-DS1 en un agujero negro estelar de unas 5 masas solares.

Los nuevos resultados desafían las teorías tradicionales sobre la formación de estos fascinantes objetos astronómicos y abren la posibilidad de que estrellas menos masivas también puedan terminar su existencia en forma de agujero negro. Además, podrían ayudarnos a identificar agujeros negros estelares en regiones del cosmos sin explosiones de supernovas.

Pero ¿cuáles son las consideraciones actuales sobre la formación de agujeros negros a partir de una estrella masiva?

Una violenta explosión estelar

La vida de una estrella es similar a la vida de un ser vivo: a medida que envejece, cambia en su estructura y composición.

Mientras la estrella se encuentra en la secuencia principal (donde pasará la mayor parte de su existencia), las reacciones de fusión nuclear en su interior convierten el hidrógeno en helio. Esto crea una presión que se opone a la propia gravedad de la estrella.

Equilibrio hidrostático en una estrella de secuencia principal. El flujo de energía desde el interior, debido a la fusión nuclear del hidrógeno en helio, proporciona la presión necesaria para evitar que la estrella colapse bajo su propia gravedad. Crédito: NASA/CKSC/M.Weiss. CC-BI

Cuando se acaba el combustible, el equilibrio se altera y la gravedad vence la presión interna, provocando su colapso. Así, aquellas estrellas entre 15 y 20 veces más masivas que el Sol formarán un agujero negro.

Además, durante el colapso de una estrella, se crea una gran cantidad de neutrinos (partículas muy ligeras sin carga creadas durante las reacciones de fusión en su núcleo). Como resultado, se crea una poderosa onda de choque que desgarra la estrella en una supernova y expulsa su material estelar hacia el exterior.

En un breve momento, estas explosiones de supernova liberan enormes cantidades de energía, superando incluso la energía del Sol durante toda su existencia. Su brillo es mayor que el brillo de su propia galaxia, en ocasiones puede verse a simple vista.

Una imagen de la Nebulosa del Cangrejo tomada por el Telescopio Espacial James Webb. Formada a partir de los restos de una enorme estrella moribunda que explotó y expulsó sus capas de gas al espacio interestelar (una supernova), se encuentra a unos 6.500 años luz de distancia y todavía se está expandiendo, a una velocidad de unos 1.500 km/s. Créditos: NASA, ESA, CSA, STScI, Thea Temim (Universidad de Princeton); Procesamiento de imágenes: Joseph DePasquale (STScI). CC-BI

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Sin embargo, otra hipótesis sugiere un escenario diferente y menos violento para el destino final de una estrella masiva. Nos referimos a supernovas fallidas.

El nacimiento silencioso de un agujero negro

A veces, durante la fase de colapso, la onda de choque generada es demasiado débil para expulsar violentamente el material estelar al espacio. En este caso, la estrella implosiona pacíficamente, convirtiéndose en un agujero negro sin explosión aparente (las llamadas “supernovas fallidas”).

Esta animación muestra la estructura de una estrella masiva colapsando para formar un agujero negro sin una explosión de supernova. El agujero negro, escondido en su interior, absorbe el gas mientras las capas exteriores se enfrían y brillan en el infrarrojo. Crédito: Keith Miller, Caltech/IPAC – SELab.

Entonces, ¿qué sucede con las capas de gas más externas? La clave está en las corrientes de convección en el interior de la estrella. Dado que el núcleo está extremadamente caliente y las capas exteriores son mucho más frías, se crean corrientes convectivas que impulsan la circulación de gas entre las dos regiones.

Cuando el núcleo colapsa, el gas exterior continúa moviéndose y las capas más externas son empujadas hacia afuera. Es este movimiento convectivo el que evita que la mayor parte del material estelar caiga directamente en el agujero negro recién formado.

Mecanismos de transferencia de calor en estrellas de secuencia principal. Observe las corrientes convectivas de gas en las capas más externas de estrellas como nuestro Sol. Crédito: Wikipedia. CC-BI

A medida que el material expulsado se aleja, su temperatura desciende y sus átomos y moléculas comienzan a combinarse para formar polvo de estrellas. Estos granos de estrellas absorben la energía generada por el gas caliente cerca del agujero negro y la reemiten en forma de radiación infrarroja.

Como resultado, el nuevo objeto astrofísico brilla con un característico tono rojizo, incluso décadas después de la desaparición de la estrella original.

Regulación progresiva M31-2014-DS1

Sirio, la estrella más brillante del cielo, pertenece a la constelación del Can Mayor (también llamada Perro de Orión) y es visible en ambos hemisferios hasta los 60ºN. Créditos: Desarrollo propio del programa Stellarium. CC-BI

Imaginemos por un momento que la estrella más brillante visible desde la Tierra, Sirio, ha desaparecido por completo de nuestro cielo. Nos perderíamos un espectáculo único tanto en las frías noches del norte como durante el verano austral.

Algo similar ocurrió en la vecina galaxia de Andrómeda. La estrella supergigante roja M31-2014-DS1 se ha desvanecido sin dejar rastro.

Aunque hay estrellas cuyo brillo varía periódicamente, como las Cefeidas variables o las binarias eclipsantes, son muy pocos los casos documentados de estrellas cuya intensidad va disminuyendo paulatinamente hasta hacerse invisibles para los detectores astronómicos.

En este sentido, los investigadores examinaron los datos recopilados por varios observatorios espaciales y terrestres entre 2005 y 2023. Entre ellos, destacamos la misión NEOVISE de la NASA o el telescopio terrestre Samuel Oshin en el Observatorio Palomar en California.

Los resultados fueron bastante convincentes. La estrella M31-2014-DS1 comenzó a emitir luz infrarroja en 2014, aumentando su brillo hasta 2016. Desde entonces, ha disminuido drásticamente en menos de un año.

En 2022 y 2023, la estrella estaba casi extinta en longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas.

El espectro de la luz infrarroja incluye longitudes de onda entre 0,7 y 1000 micras (especialmente el infrarrojo cercano entre 0,7 y 3 micras y el infrarrojo medio entre 3 y 15 micras). Crédito: NASA. CC-BI

Lo que queda actualmente de la estrella extinta M31-2014-DS1 sólo es detectable en luz infrarroja media y brilla aproximadamente a una décima parte de su intensidad original.

En esta serie de imágenes visibles y en el infrarrojo cercano de la estrella M31-2014-DS1 tomadas por el Telescopio Espacial Hubble (HST) y el Telescopio Espacial Keck en Hawaii, una cruz amarilla marca la ubicación del objeto en el espacio. Teniendo en cuenta que los tonos en estas imágenes están invertidos (es decir, los tonos oscuros representarían más luz estelar), se puede observar una clara disminución en el brillo de M31-2014-DS1 en un período de aproximadamente 11 años. Créditos: Arkiv. CC BI Un gran avance en la búsqueda de agujeros negros

Hasta la fecha, el descubrimiento de agujeros negros estelares se ha centrado en la búsqueda de restos de supernovas. Al tratarse de acontecimientos muy brillantes, su ubicación en el cosmos era relativamente accesible.

Con estos nuevos resultados, si las supernovas fallidas son realmente comunes en todo el universo, el número de agujeros negros estelares podría ser mucho mayor de lo esperado. Además, tendríamos que preguntarnos si la abundancia de elementos pesados ​​en el universo proviene únicamente de explosiones de supernovas.

Y este descubrimiento reescribe cómo algunas de las estrellas más masivas llegan a su fin, sin una aparente explosión.

Parece evidente que la extinción de la estrella M31-2014-DS1 supondrá un verdadero avance en astrofísica y sentará las bases para una mejor comprensión del origen no violento de los agujeros negros estelares.