En abril 2020 se publicó el descubrimiento de un sistema triple con dos estrellas y un agujero negro; un equipo liderado por Thomas Rivinius, astrónomo de la ESO, informó del descubrimiento del agujero negro más cercano a la Tierra en HR 6819, a solo 1.000 años luz de distancia y con una masa de apenas 4 masas solares. El artículo científico “A naked-eye triple system with a nonaccreting black hole in the inner binary” (Un sistema triple a simple vista con un agujero negro que no acreta material en el sistema binario interno) fue publicado en Astronomy & Astrophysics, Volume 637, L3 (DOI: 10.1051/0004-6361/202038020).

Rivinius y sus colegas creían que la mejor interpretación para los datos que obtuvieron con el telescopio MPG/ESO de 2,2 metros era que HR 6819 es un sistema triple, con una estrella orbitando un agujero negro cada 40 días y una segunda estrella en una órbita mucho más amplia

Pero pronto sus hallazgos se pondrían en duda. 

En septiembre del mismo año, otros investigadores cuestionaron la naturaleza de este descubrimiento en un paper titulado “Is HR 6819 a triple system containing a black hole?, An alternative explanation” (¿Es HR 6819 un sistema triple que contiene un agujero negro? Una explicación alternativa) publicado en Astronomy & Astrophysics Vol.641, A43, 2020 (https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038682)  proponiendo un sistema con solo dos estrellas en una órbita de 40 días y ningún agujero negro en absoluto.

Esta investigación, liderada por Julia Bodensteiner, estudiante de doctorado en KU Leuven en Bélgica, ofreció una interpretación diferente a los mismos datos: HR 6819 podría ser un sistema con solo dos estrellas orbitando cada 40 días y sin agujeros negros. Esta alternativa requeriría que una estrella “despojara” la mayor parte de su masa, siendo “robada” por la otra estrella.

Una disputa que solo se resolvería con más ciencia

Ambos equipos se unieron y testearon las dos hipótesis con diferentes instrumentos. “Habíamos llegado al límite de los datos existentes, por lo que tuvimos que recurrir a una estrategia de observación diferente para decidir entre los dos escenarios propuestos por los dos equipos”, dice la investigadora de KU Leuven, Abigail Frost, quien dirigió el nuevo estudio de los dos escenarios propuestos por ambos grupos. Para resolver el misterio, ambos grupos colaboraron para obtener datos nuevos y más claros de HR 6819.

“La configuración que buscábamos era muy clara, muy distinta y fácil de distinguir con la herramienta adecuada”, dice Rivinius. “Estamos de acuerdo en que hay dos fuentes de luz en el sistema, por lo que la pregunta es si están juntas como en el escenario de exposición de estrellas o muy lejos como en el escenario del agujero negro”.

Con el instrumento GRAVITY del VLT I (Very Large Telescope – Interferometer) en ESO Paranal logró resolver dos fuentes brillantes separadas por solo un tercio de la distancia entre la Tierra y el Sol, mientras el instrumento MUSE en el VLT del mismo ESO Paranal se confirmó que no existía un tercer compañero brillante en una órbita más amplia. Los resultados se publicaron en el artículo científico titulado “HR 6819 is a binary system with no black hole: Revisiting the source with infrared interferometry and optical integral field spectroscopy” (HR 6819 es un sistema binario sin agujero negro: revisando la fuente con interferometría infrarroja y espectroscopia óptica de campo integral), que aparece en la revista Astronomy & Astrophysics, Vol 659, L3 (DOI: 10.1051/0004-6361/202143004).

El Interferómetro del Very Large Telescope (VLTI) de ESO utiliza interferometría para combinar la luz recolectada por las cuatro Unidades de Telescopios (UTs) de 8,2 metros del VLT creando un telescopio “virtual” más grande con un diámetro equivalente a la distancia entre los telescopios individuales (llamados “línea de base”), permitiendo que el VLTI obtenga detalles mucho más finos del cosmos de lo que sería posible con un telescopio individualmente, de hecho, resolver los objetos de HR 6819 ubicado a 1000 años luz de la Tierra, equivale a distinguir dos pelotas de golf a 9000 km de distancia, la distancia entre Ciudad de México y Tierra del Fuego (sin considerar la curvatura de la Tierra).

Finalmente el equipo concluyó que estaban observando una etapa nunca antes observada en estrellas binarias, llamada “Vampirismo estelar”, descubrieron este sistema binario poco después de que una de las estrellas absorbiera la atmósfera de una compañera, donde a medida que se elimina parte de la materia de la estrella donante, la estrella receptora comienza a girar más rápido Es excepcional de haber captado este sistema binario justo después de que una de las estrellas hubiera succionado la atmósfera de su estrella compañera, lo que sucede en una fase evolutiva rara y corta.

Trabajo futuro

El equipo recién formado que conecta Lovaina y ESO planea usar la herramienta GRAVITY de VLT I para monitorear más de cerca el HR 6819. El equipo realizará una investigación colaborativa sobre el sistema a lo largo del tiempo para comprender mejor los desarrollos, limitar sus propiedades y usar este conocimiento para aprender más sobre otros sistemas binarios. Cuando se trata de buscar agujeros negros, el equipo se mantiene optimista. Para Rivinius, “los agujeros negros de masa estelar son muy esquivos debido a sus propiedades”. “Pero las estimaciones del orden de magnitud”, agregó Baabe, “sugieren que hay decenas o cientos de millones de agujeros negros dentro de la propia Vía Láctea. “Es solo cuestión de tiempo antes de que sean descubiertos”

Por qué es tan difícil detectar agujeros negros
Los astrónomos no pueden observar directamente los agujeros negros con telescopios que detectan rayos X, luz visible, infrarroja u otras formas de radiación electromagnética. Sin embargo, se puede inferir la presencia de agujeros negros y estudiarlos detectando su efecto en otra materia cercana.

Esta es la razón por la cual Rivinus et al. 2020 consideró que un agujero negro en el sistema de HR 6819 podría explicar su extraña naturaleza que él mismo había detectado 20 años atrás.

Los detalles de este descubrimiento

Las primeras observaciones de HR 6819 por parte de Thomas Rivinius fueron tomadas en el observatorio ESO La Silla hace unos 20 años, era una estrella azul del tipo B visible a simple vista, notaron algo extraordinario pero no daban con la solución, hasta que en 2019 astrónomos anunciaran el descubrimiento de un agujero negro en el sistema LB-1 (https://www.nature.com/articles/s41586-019-1766-2) cuyas observaciones eran semejantes a las de HR 6819, por lo que Rivinius decidió volver a explorar los datos. Los datos que tenían era el espectro de HR 6819. El espectro de un objeto es la luz que emite distribuida por longitud de onda, como un arcoiris que se extiende hacia ambos extremos y entrega información del objeto tales como su composición química y movimiento.

El espectro de HR 6819 contiene varios tipos diferentes de líneas: brillantes y oscuras, anchas y estrechas, móviles y estáticas. Las líneas anchas de absorción provienen de una estrella llamada Be: una estrella azul gigante, más masiva y más caliente que nuestro Sol, que gira muy rápidamente. “Las estrellas de tipo Be giran tan rápido que casi se desmoronan. Ya no son esféricos sino algo aplanados, y alrededor de su ecuador forman un disco gaseoso expulsado de la propia estrella”. Este gas caliente alrededor de la estrella crea líneas de emisión brillantes, claramente visibles en el espectro de HR 6819.

Aparte de estas líneas, había un segundo set de líneas mucho más estrechas, similares a las de las estrellas gigantes B; estrellas masivas azules que no giran tan rápido como las estrellas Be. Esto indicaba algo extraño en la estrella B; las líneas de esta estrella se movían de un lado a otro cada 40 días, lo que significaba que la estrella orbitaba alrededor de algo pero las líneas espectrales de la estrella Be no se inmutaban, lo que indicaba la presencia de un tercer objeto no visible que debía tener 4 masas solares y un objeto invisible tan masivo solo podría ser un agujero negro.

Julia Bodensteiner, quien en 2020 cursaba su doctorado en KU Leuven (Bélgica) trabajando con un grupo que estudia estrellas binarias masivas, cuenta que trabajado en el sistema LB-1 propuso que en realidad no hay un agujero negro, por lo que pensó que tal vez este escenario aplicaba aquí también. Gracias a los datos públicos de ESO’s Science Archive, accedieron a los datos de Rivinius pero analizaron líneas espectrales diferentes al del análisis de Rivinius, las que arrojaron un resultado significativo donde se muestra que la estrella Be se mueve de un lado a otro.

Lo interesante de este pequeño desplazamiento en las líneas ocurría cada 40 días, al igual que las líneas de la estrella B, lo que indicaba que podría tratarse de un sistema binario y la pregunta ahora es por qué la estrella B se mueve mucho menos que la estrella Be.

El problema con estos datos espectroscópicos, es que las señales de ambas estrellas vienen combinados y es difícil desentrañarlas de manera concluyente. Para resolver el debate, ambos grupos querían ver las estrellas una al lado de la otra.

En este diagrama de densidad Doppler de la línea Hα se observa el lóbulo de Roche del sistema de las estrellas B y Be de HR 6819 (en línea punteada negra) cuya razón es de 15.1 a 1, las estrellas en las cruces y la mayor densidad en el punto rojo. Esta configuración descarta la presencia de un agujero negro, pero aún cuando el mapa Doppler muestra la viabilidad del modelo B+Be en una órbita de 40 días, no nos permite probar el escenario donde la estrella Be es una tercera compañera distante ya que los datos existentes es insuficiente para calcular un mapa Doppler en tal escenario.

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