Los astrónomos han sido testigos de un raro evento en el que una estrella moribunda no logró explotar como supernova y en cambio colapsó directamente en un agujero negro. Esta notable observación se convierte en el registro observacional más completo hasta la fecha de la transformación de una estrella en un agujero negro, lo que permite a los astrónomos construir una imagen física completa del proceso.
La estrella "muerta", llamada M31-2014-DS1, está a unos 2,5 millones de años luz de la Tierra y se encuentra en la cercana galaxia de Andrómeda. Un equipo de investigación dirigido por Keesarai De, investigador asociado del Instituto Fratyron de la Fundación Simons, combinó datos de observación recientes con más de diez años de datos de archivo para confirmar y mejorar el modelo teórico de la transformación de este tipo de estrella masiva en un agujero negro. Los hallazgos, publicados en la revista Science, están atrayendo una amplia atención y brindan una visión poco común de los misteriosos orígenes de los agujeros negros.
El equipo de investigación analizó las mediciones de la estrella del proyecto NEOWISE de la NASA y otros telescopios terrestres y espaciales de 2005 a 2023. Descubrieron que la luz infrarroja de M31-2014-DS1 comenzó a brillar en 2014, luego se atenuó rápidamente en 2016, cayendo muy por debajo de su luminosidad original en solo un año. Las observaciones realizadas en 2022 y 2023 mostraron que la estrella básicamente desapareció en las bandas visible e infrarroja cercana, y su brillo cayó a una diezmilésima parte de su valor original. Actualmente, sus restos sólo son detectables en el infrarrojo medio y son sólo una décima parte de brillantes que antes.
"Esta estrella alguna vez fue una de las más brillantes de la galaxia de Andrómeda, pero ahora no se encuentra por ningún lado. ¡Imagínense si Betelgeuse desapareciera repentinamente, todos se volverían locos! Lo mismo le sucedió a esta estrella de la galaxia de Andrómeda", dijo De. Después de comparar estos datos de observación con predicciones teóricas, los investigadores concluyeron que el dramático oscurecimiento de la estrella a una fracción muy pequeña de su brillo total original proporcionó una fuerte evidencia de que su núcleo colapsó y formó un agujero negro.
Las estrellas fusionan hidrógeno en helio en sus núcleos, un proceso que crea presión hacia afuera para equilibrar la constante atracción de la gravedad hacia adentro. Cuando las estrellas masivas, aproximadamente 10 veces la masa del Sol o más, comienzan a quedarse sin combustible, el equilibrio entre las fuerzas internas y externas se altera. La gravedad comienza a comprimir la estrella y su núcleo primero cede para formar la densa estrella de neutrones en el centro. Normalmente, la liberación de neutrinos durante este proceso crea una onda de choque lo suficientemente poderosa como para destrozar gran parte del núcleo y las capas externas en una explosión de supernova. Sin embargo, si la onda de choque impulsada por neutrinos no logra expulsar el material de la estrella, la teoría sostiene desde hace mucho tiempo que la mayor parte del material de la estrella volverá a caer dentro de la estrella de neutrones, formando un agujero negro.
Las observaciones y el análisis de M31-2014-DS1 permitieron al equipo reinterpretar las observaciones de la estrella similar NGC 6946-BH1, lo que condujo a un avance importante en la comprensión de lo que sucede con las capas externas de la estrella después de que no logra explotar como supernova y colapsa en un agujero negro. El elemento clave que se pasa por alto es la convección. La convección es un subproducto de enormes diferencias de temperatura dentro de una estrella. El material cerca del centro de la estrella es extremadamente caliente, mientras que las regiones exteriores son mucho más frías. Esta diferencia de temperatura hace que el gas dentro de la estrella se mueva de áreas más calientes a áreas más frías.
A medida que el núcleo de la estrella colapsa, el gas de sus capas exteriores sigue moviéndose rápidamente debido a la convección. Los modelos teóricos desarrollados por astrónomos del Instituto Fratiron muestran que esto evita que la mayoría de las capas externas caigan directamente en el agujero negro; en cambio, las capas más internas orbitan alrededor de la periferia del agujero negro e impulsan la expulsión de las capas más externas en la zona de convección. El coautor Andrea Antoni, investigador de Fratilone, desarrolló previamente las predicciones teóricas para estos modelos de convección. "La tasa de acreción -la tasa a la que cae la materia- es mucho más lenta que la implosión directa de la estrella", dijo. "Este material convectivo tiene momento angular, por lo que orbita alrededor del agujero negro. En lugar de caer en meses o un año, tarda décadas. Debido a esto, se convierte en una fuente mucho más brillante de lo que sería de otra manera, y observamos largos retrasos en el oscurecimiento de la estrella original".
De manera similar al agua que gira alrededor del desagüe de una bañera en lugar de fluir hacia abajo, el gas que se mueve alrededor de este agujero negro recién formado continúa su órbita caótica incluso cuando es arrastrado lentamente hacia adentro. Por lo tanto, la caída estancada causada por la convección evita que toda la estrella colapse directamente en el agujero negro naciente. Los investigadores estiman que sólo alrededor del uno por ciento del gas de la envoltura original de la estrella cayó en el agujero negro, alimentando la luz que emite hoy.
Al analizar los datos de observación de M31-2014-DS1, De y su equipo también reevaluaron la estrella similar NGC 6946-BH1, que fue clasificada hace 10 años. En el nuevo artículo, presentan pruebas sólidas de por qué esta estrella sigue un patrón similar. M31-2014-DS1 inicialmente parecía un "bicho raro", pero ahora parece ser solo uno más de una clase de objetos que incluye a NGC 6946-BH1, dijo De. "Sólo a través de estos descubrimientos individuales podemos empezar a reconstruir el panorama", afirmó De. "La luz de los restos de polvo que rodean un agujero negro recién nacido será visible durante décadas en los niveles de sensibilidad de telescopios como el Telescopio Espacial James Webb, ya que continúa desintegrándose muy lentamente. Esto podría convertirse en última instancia en un punto de referencia para comprender cómo se forman los agujeros negros estelares en el universo".