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

Source: The Conversation – (in Spanish) – By Óscar del Barco Novillo, Profesor asociado. Departamento de Física (área de Óptica)., Universidad de Murcia

Recreación artística de las etapas finales de una estrella masiva que no explota como una supernova, sino que implosiona bajo la acción de la gravedad formando un agujero negro estelar. NASA, ESA, and P. Jeffries (STScI)., CC BY

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

Entre 2014 y 2024, el brillo de M31-2014-DS1 (el nombre técnico de esta estrella supergigante) se redujo a tan solo una diezmilésima parte de su brillo anterior en el rango del visible e infrarrojo cercano. De repente, se hizo prácticamente indetectable para los instrumentos ópticos actuales. ¿Que había pasado?

Agujero negro en directo

En un estudio recientemente publicado en la prestigiosa revista Science, investigadores norteamericanos han dado una explicación a este fenómeno: una 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 apasionantes objetos astronómicos y abre la posibilidad de que estrellas menos masivas también acaben su existencia en forma de un agujero negro. Además, podrían ayudarnos a identificar agujeros negros estelares en regiones del cosmos sin explosión supernova.

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 se asemeja a la de un ser vivo: a medida que va envejeciendo, sufre cambios en su estructura y composición.

Mientras una 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. Eso genera una presión que contrarresta la propia gravedad estelar.

Equilibrio hidrostático en una estrella perteneciente a la secuencia principal. El flujo de energía desde el interior, debido a la fusión nuclear de hidrógeno en helio, proporciona la presión necesaria para que la estrella no colapse bajo su propia gravedad. Créditos: NASA/CXC/M.Weiss.
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Cuando el combustible se agota, el equilibrio se rompe y la gravedad supera a 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 estelar, se genera una gran cantidad de neutrinos (partículas sin carga muy ligeras creadas durante las reacciones de fusión en su núcleo). Como consecuencia, se produce una potente onda de choque que desgarra la estrella en una supernova y expulsa su material estelar al exterior.

En un breve instante de tiempo, estas explosiones de supernova liberan ingentes cantidades de energía, superando incluso a la emisión energética del Sol durante toda su existencia. Su brillo es superior al de su propia galaxia, siendo en ocasiones observables a simple vista.

Imagen de la Nebulosa del Cangrejo registrada 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), está situada a unos 6 500 años luz de nosotros y aún sigue expandiéndose, a una velocidad de unos 1.500 km/s. Créditos: NASA, ESA, CSA, STScI, Tea Temim (Princeton University); Image Processing: Joseph DePasquale (STScI).
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Sin embargo, otra hipótesis plantea un escenario distinto y menos violento para el destino final de una estrella masiva. Nos estamos refiriendo a las supernovas fallidas.

El nacimiento tranquilo de un agujero negro

En ocasiones, durante la fase de colapso, la onda de choque generada es demasiado débil para expulsar violentamente el material estelar hacia el espacio exterior. En este caso, la estrella implosiona de forma serena, convirtiéndose en un agujero negro sin explosión aparente (las denominadas “supernovas fallidas”).

Esta animación muestra la estructura de una estrella masiva colapsando para formar un agujero negro sin explosión de supernova. El agujero negro, oculto en el interior, absorbe gas mientras las capas más externas se van enfriando y brillan en el infrarrojo. Créditos: Keith Miller, Caltech/IPAC – SELab.

¿Qué sucede entonces con las capas de gas más externas? La clave está en las corrientes de convección en el interior de una estrella. Dado que el núcleo es extremadamente caliente y las capas externas mucho más frías, se generan corrientes convectivas que impulsan la circulación de gas entre ambas regiones.

Cuando el núcleo colapsa, el gas exterior sigue en movimiento y las capas más externas son empujadas hacia fuera. Es precisamente este movimiento convectivo el que impide que la mayor parte del material estelar caiga directamente al agujero negro recién formado.

Mecanismos de transferencia de calor en estrellas pertenecientes a la secuencia principal. Nótese las corrientes convectivas de gas en las capas más externas de estrellas como nuestro Sol. Créditos: Wikipedia.
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A medida que el material expulsado se aleja, su temperatura baja y sus átomos y moléculas empiezan a combinarse para formar polvo estelar. Estos granos estelares absorben la energía generada por el gas caliente cercano al agujero negro y la reemiten en forma de radiación infrarroja.

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

El oscurecimiento progresivo de M31-2014-DS1

Sirio, la estrella más brillante del firmamento, pertenece a la constelación del Can Mayor (también llamada el perro de Orión) y es visible en ambos hemisferios hasta los 60ºN. Créditos: Elaboración propia del autor a partir del programa Stellarium.
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Imaginemos por un momento que la estrella más brillante vista desde la Tierra, Sirio, desapareciera por completo de nuestros cielos. Nos perderíamos un espectáculo singular tanto en las frías noches septentrionales como durante el verano austral.

Algo similar sucedió en la galaxia vecina de Andrómeda. La estrella supergigante roja M31-2014-DS1 se desvaneció sin dejar prácticamente rastro.

Si bien existen estrellas cuyo brillo varía periódicamente, como las variables cefeidas o las binarias eclipsantes, hay muy pocos casos documentados de estrellas cuya intensidad va reduciéndose de forma paulatina hasta ser invisibles a los detectores astronómicos.

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

Los resultados fueron bastante concluyentes. La estrella M31-2014-DS1 comenzó a emitir luz infrarroja en 2014, incrementando su brillo hasta 2016. A partir de entonces, éste disminuyó drásticamente en menos de un año.

Para 2022 y 2023, la estrella casi se había extinguido en longitudes de onda del visible e infrarrojo cercano.

El espectro de luz infrarroja abarcando longitudes de onda entre 0.7 y 1000 micras (en particular, el infrarrojo cercano entre 0.7 y 3 micras, y el infrarrojo medio, entre 3 y 15 micras). Créditos: NASA.
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Lo que queda actualmente de la extinta estrella M31-2014-DS1 solo puede ser detectado en luz infrarroja media y brilla con aproximadamente una décima parte de su intensidad original.

En esta secuencia de imágenes de la estrella M31-2014-DS1, registradas en el visible e infrarrojo cercano por los telescopios Hubble (HST) y Keck en Hawai, la cruz amarilla indica la localización de dicho objeto en el cosmos. Teniendo en cuenta que los tonos en dichas imágenes están invertidos (es decir, tonalidades oscuras representarían más brillo estelar), se puede apreciar una clara disminución del brillo de M31-2014-DS1 en un período de unos 11 años. Créditos: Arxiv.
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Un avance en la búsqueda de agujeros negros

Hasta la fecha, el hallazgo de agujeros negros estelares se había centrado en la búsqueda de restos de supernova. Al tratarse de eventos muy luminosos, su localización en el cosmos resultaba relativamente asequible.

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 replantearnos si la abundancia de los elementos pesados en el universo proviene exclusivamente de las explosiones supernova.

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

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

Óscar del Barco Novillo no recibe salario, ni ejerce labores de consultoría, ni posee acciones, ni recibe financiación de ninguna compañía u organización que pueda obtener beneficio de este artículo, y ha declarado carecer de vínculos relevantes más allá del cargo académico citado.

– ref. Lo que la extinción de una estrella masiva nos enseña sobre el origen de los agujeros negros – https://theconversation.com/lo-que-la-extincion-de-una-estrella-masiva-nos-ensena-sobre-el-origen-de-los-agujeros-negros-276206