El primer “triple agujero negro” desafía los modelos de cómo mueren las estrellas gigantes

Un sistema binario de rayos X compuesto por un agujero negro y una estrella en proceso de consumirse resulta tener un tercer miembro dando vueltas. A menos que ocurrieran algunos escenarios improbables, la existencia de lo que los descubridores llaman un “agujero negro triple” indica un método nunca antes visto para crear agujeros negros.

Como no podemos ver los agujeros negros directamente, podría haber muchos de ellos acechando en el espacio sin nuestro conocimiento. Dejando a un lado ese incómodo pensamiento, cuando nos damos cuenta de ellos, generalmente se debe a emisiones de alta energía a medida que una estrella compañera se consume lentamente, creando lo que se conoce como una binaria de rayos X. V404 Cygni fue uno de los primeros en ser descubierto y uno de los más estudiados, pero ahora ha surgido como algo más.

Existen sistemas estelares triples (solo tenemos que mirar a nuestro vecino más cercano), pero son mucho más raros que los binarios. Además, cuando las estrellas de neutrones se forman a partir de supernovas, se sabe que liberan tanta energía que las estrellas o planetas cercanos pueden ser expulsados ​​del sistema, algo que se conoce como “patada natal”. Se cree que tales patadas natales son la causa principal de las estrellas desbocadas que a veces encontramos recorriendo la galaxia.

Dado que los agujeros negros de masa estelar son producto de estrellas aún más grandes, es lógico esperar explosiones más poderosas, acompañadas de mayores patadas natales. Incluso si se formara un agujero negro en un sistema estelar triple, se argumentaba, al menos un componente sería expulsado, dejando un sistema binario.

Sin embargo, los astrónomos han comenzado a ver indicios de que este podría no ser el caso y ahora tienen algo parecido a la prueba.

Se sabía que V404 Cygni consistía en un agujero negro con una masa nueve veces mayor que la del Sol, orbitado por una estrella cada 6,5 ​​días, lo suficientemente cerca como para que el gas sea extraído de las capas externas de la estrella hacia el pozo de gravedad del agujero negro. Ahora, el profesor del MIT Kevin Burdge y sus coautores han encontrado otro compañero que orbita cada 70.000 años.

Una compañera cercana podría verse muy afectada por una supernova, pero estaría tan estrechamente unida que la patada natal podría no librarse de ella. Sin embargo, la unión entre estrellas con un período orbital de 70.000 años sería excepcionalmente débil.

«Imagina que estás tirando de una cometa y, en lugar de una cuerda fuerte, estás tirando de una telaraña», dijo Burdge en un comunicado. “Si tirabas demasiado fuerte, la red se rompía y perdías la cometa. La gravedad es como esta cuerda apenas atada que es realmente débil, y si haces algo dramático con el binario interno, perderás la estrella exterior”.

Burdge y sus coautores calculan que el impulso natal cuando se formó V404 Cygni no pudo haber sido más de 5 kilómetros por segundo (11.000 mph), mucho menos de lo que se considera normal para las supernovas que conducen a estrellas de neutrones.

Esto ha llevado a Burge y sus coautores a proponer que el agujero negro V404 Cygni se formó mediante un «colapso directo», sin una etapa de supernova. Los físicos han estado jugando con la idea del colapso directo de las estrellas gigantes durante años, pero esta es la primera evidencia, reforzada cuando la medición de los movimientos de V404 Cygni encontró que se movía al mismo ritmo que las estrellas cercanas.

«Creemos que la mayoría de los agujeros negros se forman a partir de violentas explosiones de estrellas, pero este descubrimiento ayuda a poner eso en duda», dijo Burdge. «Este sistema es muy interesante para la evolución de los agujeros negros y también plantea dudas sobre si hay más triples por ahí».

La posibilidad de que los triples de agujeros negros sean algo comunes aumenta por el hecho de que el equipo los encontró sin buscarlos deliberadamente. Estaban buscando agujeros negros no descubiertos dentro de la Vía Láctea utilizando una base de datos de imágenes de telescopios. Burdge decidió ver cómo se veía un ejemplo famoso con estos instrumentos y eligió el V404 Cygni.

Burdge no fue el primero en notar una estrella aparentemente cercana, pero otros han asumido que simplemente se alinearon y que la estrella estaba mucho más cerca o más distante que el agujero negro. Burdge investigó y descubrió que 10 años de datos de Gaia muestran que se están moviendo juntos.

El equipo concluyó que la estrella adicional está cien veces más lejos del agujero negro que Plutón del Sol. El hecho de que el compañero exterior nunca hubiera sido notado si el sistema estuviera un 50 por ciento más lejos, o si fuera más de un 40 por ciento menos masivo, enfatiza la probabilidad de que nos falten ejemplos adicionales.

Es posible que la tercera estrella haya sido capturada después de que se formara el agujero negro, pero los autores creen que esto es poco probable dada la baja densidad de estrellas en el área. Del mismo modo, argumentan que la ventana en la que la estrella más externa estuvo una vez más cerca (y fue expulsada a tal distancia, pero no completamente expulsada) es tan pequeña que resulta apenas plausible.

El descubrimiento viene con una ventaja científica: una estrella en proceso de consumo no sigue las leyes normales del envejecimiento, pero sí una estrella tan lejana como el tercer miembro. En consecuencia, se ha medido que el compañero más externo tiene entre 3 y 5 mil millones de años. Si los tres se formaran juntos, el agujero negro habría pasado una pequeña fracción de ese tiempo como una estrella ordinaria, antes de su metamorfosis. «Nunca antes habíamos podido hacer esto con un antiguo agujero negro», dijo Burdge.

Quizás el nombre podría haber sido una pista: V404, no se encontraron rastros de supernova.

Los agujeros negros supermasivos se forman mediante un proceso diferente y pueden unirse cuando las galaxias se fusionan. En consecuencia, se han encontrado muchos ejemplos en los que dos orbitan entre sí, a menudo mientras al menos uno de ellos está comiendo una estrella. Incluso hemos visto un sistema de triple agujero negro. Sin embargo, la frecuencia de estos eventos no significa que se esperara lo mismo para los agujeros negros de masa estelar.

El estudio se publica en la revista Nature.