Un nuevo estudio en Physical Review Letters explora las condiciones de formación de agujeros negros a partir de estrellas moribundas, en particular el papel de las patadas natales inducidas por neutrinos en el proceso de formación.
Los agujeros negros son algunos de los objetos más misteriosos del universo, con fuerzas gravitacionales tan fuertes que ni siquiera la luz puede escapar de ellos. A día de hoy, con la evidencia que tenemos, los agujeros negros son cadáveres estelares, lo que significa que nacen cuando las estrellas mueren.
Sin embargo, los mecanismos exactos de su formación siguen siendo un misterio. El nuevo estudio aborda algunos de estos misterios mediante el estudio de procesos como la eyección de masa estelar y la emisión de neutrinos, que desempeñan un papel crucial en la formación de agujeros negros.
Phys.org habló con el primer autor, el Dr. Alejandro Vigna-Gómez, becario postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astrofísica en Alemania.
Cuando se le preguntó sobre su motivación para estudiar la formación de agujeros negros, dijo:"Durante la última década, mi trabajo ha girado en torno a la intersección de la física de estrellas binarias y supernovas".
"Mi interés ha aumentado a raíz de los recientes avances en la astronomía de los agujeros negros. En los últimos años, me di cuenta de que los agujeros negros pesados podrían ofrecer información importante sobre los procesos de colapso estelar que resultan de su creación".
Cuando una estrella más grande que nuestro sol llega al final de su vida, se produce una explosión extremadamente brillante y violenta llamada explosión de supernova. Estas explosiones son tan brillantes que pueden eclipsar brevemente la luminosidad de una galaxia entera y liberar una gran cantidad de neutrinos para dejar atrás una estrella de neutrones.
La masa estelar expulsada durante la explosión tiene una velocidad de miles de kilómetros por segundo pero no siempre está distribuida de manera equitativa. Esta asimetría conduce a asimetrías a gran escala en los restos de la explosión, que se han observado en estrellas de neutrones.
Esta masa asimétrica eyectada provoca un retroceso de la estrella de neutrones llamado patada natal, lo que hace que se mueva a altas velocidades por toda la galaxia. Anteriormente se habían observado patadas natales en estrellas de neutrones, pero no en agujeros negros.
Los agujeros negros se forman cuando, en lugar de una explosión, una estrella moribunda colapsa sobre sí misma. Entonces llegamos a la pregunta planteada por los investigadores:¿Podrían las patadas natales desempeñar también un papel en la formación de agujeros negros?
"En los últimos años, se han descubierto varios agujeros negros binarios dentro de nuestra galaxia y sus alrededores. Generalmente se detectan mediante emisión de rayos X, pero sólo unos pocos se han detectado mediante espectroscopia de una sola línea [un método diferente] como X- binarios silenciosos", dijo el Dr. Vigna-Gómez.
Estos sistemas binarios no emiten cantidades significativas de rayos X, lo que puede ser indicativo de las etapas de evolución de las estrellas en el sistema binario.
Los investigadores eligieron la galaxia VFTS 243 para su estudio porque alberga uno de los agujeros negros más masivos entre estas binarias.
El sistema binario está formado por un agujero negro y una estrella masiva. Los investigadores querían estudiar las condiciones bajo las cuales se formó el agujero negro, como la pérdida de masa estelar y los impulsos natales asociados con su formación.
Los investigadores se basaron en observaciones recientes de estrellas en desaparición, que son estrellas que murieron y se convirtieron en agujeros negros sin una explosión. Además, estos agujeros negros binarios de masa estelar (este es el término oficial) son inertes, lo que significa que hay poca interacción entre la estrella y el agujero negro después de que se forma el agujero negro.
Los investigadores utilizaron un enfoque semianalítico para calcular la probabilidad de que una patada natal durante la formación del agujero negro condujera a la configuración observada del sistema.
Para analizar la formación del sistema, los investigadores utilizaron varias limitaciones, como el período orbital, la excentricidad y la velocidad radial sistémica del sistema. Además, realizaron estimaciones de las asimetrías de neutrinos a largo plazo durante la formación del agujero negro (suponiendo que se produjo debido a un colapso total y no a una explosión).
El Dr. Vigna-Gómez resumió los hallazgos diciendo:"Encontramos que el agujero negro de VFTS 243 se formó sin una explosión y tuvo una baja patada natal de neutrinos, si la hubo. Esto sugiere que los neutrinos se emitieron casi por igual en todas las direcciones cuando el masivo progenitor colapsó en un agujero negro."
Para VFTS 243, los investigadores limitaron la velocidad de la patada natal a ser menor o igual a unos 10 kilómetros por segundo. Descubrieron que el escenario más probable es que aproximadamente 0,3 masas solares fueran expulsadas, presumiblemente en forma de neutrinos, y el agujero negro experimentara una patada natal de unos 4 kilómetros por segundo.
Estos hallazgos tienen implicaciones para la formación de otros agujeros negros, lo que sugiere que algunos pueden formarse mediante un colapso total, sin explosión.
Además, la emisión de neutrinos a largo plazo es preferentemente esféricamente simétrica (igual en todas las direcciones), lo que explica la falta de un fuerte impulso natal al sistema binario.
El Dr. Vigna-Gómez añadió:"Parece que la intuición teórica que hemos construido acerca de que los agujeros negros tienen patadas natales reducidas con respecto a las estrellas de neutrones era correcta".
"Este análisis muestra que el VFTS 243 se puede utilizar como sistema de referencia para la simulación de supernovas de colapso del núcleo, es decir, simulaciones de estrellas que colapsan en agujeros negros de alrededor de diez masas solares deberían alinearse con las pequeñas asimetrías de neutrinos y las patadas natales que inferimos para VFTS 243."
Construir estructuras para una población de agujeros negros sería el siguiente paso de los investigadores en su intento de comprender la evolución de las estrellas masivas.
