El telescopio espacial Nancy Grace Roman de la NASA proporcionará una ventana sin precedentes al universo infrarrojo cuando se lance a mediados de la década de 2020. Uno de los estudios planificados por la misión utilizará un capricho de la gravedad para revelar miles de nuevos planetas más allá de nuestro sistema solar. El mismo estudio también brindará la mejor oportunidad hasta ahora para detectar definitivamente pequeños agujeros negros solitarios por primera vez. Formados cuando una estrella con más de 20 masas solares agota el combustible nuclear en su núcleo y colapsa por su propio peso, estos objetos se conocen como agujeros negros de masa estelar.
Los agujeros negros tienen una gravedad tan poderosa que ni siquiera la luz puede escapar de sus garras. Dado que son invisibles, solo podemos encontrar agujeros negros indirectamente, al ver cómo afectan a su entorno. Los agujeros negros supermasivos que se encuentran en los centros de las galaxias, que contienen millones de veces la masa del Sol, interrumpen las órbitas de las estrellas cercanas y ocasionalmente las desgarran con consecuencias visibles.
Pero los astrónomos piensan que la gran mayoría de los agujeros negros de masa estelar, que son mucho más ligeros, no tienen nada a su alrededor que pueda alertarnos sobre su presencia. Roman encontrará planetas en toda nuestra galaxia observando cómo su gravedad distorsiona la luz de las estrellas distantes, y debido a que los agujeros negros de masa estelar producen los mismos efectos, la misión también debería poder encontrarlos.
«Los astrónomos han identificado unos 20 agujeros negros de masa estelar hasta ahora en la Vía Láctea, pero todos tienen un compañero que podemos ver», dijo Kailash Sahu, astrónomo del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore. “Muchos científicos, incluido yo mismo, hemos pasado años tratando de encontrar agujeros negros por su cuenta utilizando otros telescopios. Es emocionante que con Roman finalmente sea posible».
Las estrellas parecen balizas eternas, pero cada una nace con un suministro limitado de combustible. Las estrellas pasan la mayor parte de sus vidas convirtiendo el hidrógeno de sus centros en helio, lo que genera una enorme cantidad de energía. Este proceso, llamado fusión nuclear, es como una explosión controlada: un juego de tira y afloja finamente equilibrado entre la presión exterior y la gravedad.
Pero a medida que el combustible de una estrella se agota y la fusión se ralentiza, la gravedad se hace cargo y el núcleo de la estrella se contrae. Esta presión hacia adentro calienta el núcleo y provoca una nueva ronda de fusión, que produce tanta energía que las capas externas de la estrella se expanden. La estrella aumenta de tamaño, su superficie se enfría y se convierte en una gigante roja o supergigante.
El tipo de cadáver estelar que finalmente se deja atrás depende de la masa de la estrella. Cuando una estrella similar al Sol se queda sin combustible, eventualmente expulsa sus capas externas, y solo queda un pequeño núcleo caliente llamado enana blanca. La enana blanca se desvanecerá con el tiempo, como las brasas moribundas de un fuego que alguna vez rugió. A nuestro Sol le quedan unos cinco mil millones de años de combustible.
Las estrellas más masivas se calientan más, por lo que gastan su combustible más rápido. Por encima de unas ocho veces la masa del Sol, la mayoría de las estrellas están condenadas a morir en explosiones cataclísmicas llamadas supernovas antes de convertirse en agujeros negros. En las masas más altas, las estrellas pueden saltarse la explosión y colapsar directamente en agujeros negros.
Los núcleos de estas estrellas masivas colapsan hasta que sus protones y electrones se aplastan para formar neutrones. Si el núcleo sobrante pesa menos de aproximadamente tres masas solares, el colapso se detiene allí, dejando atrás una estrella de neutrones. Para núcleos sobrantes más grandes, incluso los neutrones no pueden soportar la presión y el colapso continúa formando un agujero negro.
Millones de estrellas masivas han pasado por este proceso y ahora acechan por toda la galaxia como agujeros negros. Los astrónomos creen que debería haber alrededor de 100 millones de agujeros negros de masa estelar en nuestra galaxia, pero solo hemos podido encontrarlos cuando afectan notablemente a su entorno. Los astrónomos pueden inferir la presencia de un agujero negro cuando se forman discos de acreción calientes y brillantes a su alrededor, o cuando ven estrellas en órbita alrededor de un objeto masivo pero invisible.
«Roman revolucionará nuestra búsqueda de agujeros negros porque nos ayudará a encontrarlos incluso cuando no haya nada cerca», dijo Sahu. «La galaxia debería estar llena de estos objetos».
Roman utilizará principalmente una técnica llamada microlente gravitacional para descubrir planetas más allá de nuestro sistema solar. Cuando un objeto masivo, como una estrella, cruza frente a una estrella más distante desde nuestro punto de vista, la luz de la estrella más lejana se doblará a medida que viaja a través del espacio-tiempo curvo alrededor de la más cercana.
El resultado es que la estrella más cercana actúa como una lente natural, aumentando la luz de la estrella de fondo. Los planetas que orbitan alrededor de la estrella de la lente pueden producir un efecto similar en una escala más pequeña.
Además de hacer que una estrella de fondo se ilumine, un objeto con lente más masivo puede deformar tanto el espacio-tiempo que altera notablemente la ubicación aparente de la estrella distante en el cielo. Este cambio de posición, llamado microlente astrométrica, es extremadamente pequeño: solo alrededor de un milisegundo de arco. Es como distinguir un movimiento tan pequeño como del ancho de un cuarto en la parte superior del Empire State Building en Nueva York desde Los Ángeles. Usando la exquisita resolución espacial de Roman para detectar un movimiento aparente tan pequeño, el signo revelador de un agujero negro masivo, los astrónomos podrán restringir la masa, la distancia y el movimiento del agujero negro a través de la galaxia.
Las señales de microlente son tan raras que los astrónomos necesitan monitorear cientos de millones de estrellas durante largos períodos para capturarlas. Los observatorios deben poder rastrear la posición y el brillo de la estrella de fondo de manera extremadamente precisa, algo que solo se puede hacer desde arriba de la atmósfera de la Tierra. La ubicación de Roman en el espacio y el enorme campo de visión nos brindarán la mejor oportunidad hasta ahora para sondear la población de agujeros negros de nuestra galaxia.
«Los agujeros negros de masa estelar que hemos descubierto en sistemas binarios tienen propiedades extrañas en comparación con lo que esperamos», dijo Sahu. “Son unas 10 veces más masivos que el Sol, pero creemos que deberían abarcar un rango mucho más amplio de entre tres y 80 masas solares. Al realizar un censo de estos objetos, Roman nos ayudará a comprender más sobre la agonía de las estrellas».
