La missió Gaia detecta el forat negre d’origen estel·lar més massiu de la Via Làctia

Durant la validació de les dades preliminars processades per al pròxim Gaia Data Release (DR4), i considerant els resultats preliminars de l’anàlisi de dades per a estrelles no individuals, aquesta font galàctica requeria més comprovacions per veure si les dades detectades eren correctes. En un primer moment, l’equip del Consorci per al Processament i l’Anàlisi de Dades (DPAC) va considerar que aquests resultats no podien ser reals. La sorpresa va ser majúscula quan, després de moltes comprovacions internes, totes les dades suggerien que es tractava d’una detecció autèntica, una troballa científica que és important publicar abans de difondre el quart Gaia Data Release (DR4) per permetre a la comunitat científica un seguiment posterior de la descoberta.

«Si bé a la publicació de dades anterior (el Gaia DR3) vam identificar uns quants candidats a forats negres falsos, que es van relacionar amb problemes de calibratge de dades, la qualitat de l’última reducció de dades ha millorat tant que esperem publicar un elevat nombre de forats negres al Gaia DR4!», assenyala Berry Holl, de l’Observatori de Ginebra, membre de la col·laboració Gaia.

«És impressionant veure l’impacte transformador que té la missió Gaia en l’astronomia i l’astrofísica», assenyala la professora Carole Mundell, directora científica de l’ESA. «Els descobriments que fa van molt més enllà del propòsit original de la missió, que és crear un mapa multidimensional extraordinàriament precís de més de mil milions d’estrelles a tota la Via Làctia».

El forat negre d’origen estel·lar més massiu a la nostra galàxia

Però, què fa que aquesta troballa sigui tan sorprenent? Sobretot, la gran massa del forat negre. Amb trenta-tres masses solars, el Gaia BH3 no és només el forat negre d’origen estel·lar més massiu conegut a la galàxia, sinó que també està en línia amb els resultats obtinguts per observatoris d’ones gravitacionals com LIGO-Virgo-KAGRA. Aquests equipaments van trobar una població de forats negres amb masses que contradiuen els models d’evolució estel·lar a través de l’observació de les ones gravitatòries procedents de fenòmens de fusió de forats negres. La troballa de la missió Gaia confirma que a la nostra pròpia galàxia, la Via Làctia, també existeixen forats negres massius amb origen estel·lar.

La majoria dels forats negres d’origen estel·lar de la galàxia tenen una massa d’unes deu masses solars, i el valor rècord el tenia fins ara el forat negre Cyg X-1, amb una massa calculada d’unes vint vegades la del Sol. El Gaia BH3 va molt més enllà i és el nou rècord de la galàxia. La seva massa es fixa amb una precisió inigualable (32,7 +/- 0,82 M_solar), un valor que se situa clarament en el rang de les trenta masses solars.

«La distribució de massa de la població de forats negres derivada d’observacions d’ones gravitatòries mostra un clar pic al voltant de les trenta masses solars», explica Tsevi Mazeh, de la Universitat de Tel-Aviv, membre de la col·laboració Gaia. «És molt interessant veure ara que el Gaia BH3 és just en aquest pic, amb les trenta-tres masses solars que té. Això proporciona un suport científic sòlid sobre l’existència d’aquest pic».

El segon forat negre més pròxim a la Terra

Aquest forat negre, que es troba a una distància de 1.926 anys llum, és actualment el segon més pròxim a la Terra. Per què només es pot veure ara? El període de temps més llarg d’observacions que constituirà la base del Gaia Data Release 4 (DR4) és decisiu per respondre a aquesta qüestió. Es calcula que l’òrbita de la companya estel·lar al voltant del seu centre de massa comú és d’11,6 anys. Això significa que, amb 5,5 anys de dades que s’estan processant per al proper DR4, la missió Gaia és capaç de mapar la meitat de la seva òrbita. Amb això n’hi ha prou per distingir l’oscil·lació addicional en la posició i el moviment de l’estrella acompanyant. S’espera que amb un període de temps més llarg d’observacions de la missió Gaia es puguin identificar cada cop més sistemes binaris. Per tant, és probable que les pròximes publicacions de dades de Gaia revelin molts resultats excepcionals.

«En el rang de longitud d’ona visible i d’infraroig, la llum de l’estrella acompanyant visible òbviament eclipsa qualsevol cosa que pugui provenir del mateix Gaia BH3; en cas contrari, el forat negre s’hauria descobert molt abans i sense la Gaia», detalla Uli Bastian, membre de la col·laboració Gaia.

Per la naturalesa especial que presenta, i a fi de descartar la possibilitat que la solució sigui errònia, es va confirmar el resultat amb diversos observatoris terrestres. L’espectre UVES d’aquest sistema es va obtenir de l’arxiu de l’ESA i es van fer observacions de seguiment amb els espectrògrafs HERMES, a Espanya, i SOPHIE, a França. Les velocitats radials obtingudes amb aquests observatoris terrestres complementen les velocitats radials de Gaia, la qual cosa confirma la solució orbital derivada de les dades d’aquesta missió. «La missió Gaia és una autèntica màquina de detecció de forats negres, que cadascun dels tres instruments pot detectar», comenta Laurent Eyer, de l’Observatori de Ginebra, membre de la col·laboració Gaia.

Com es va originar aquest forat negre a la Via Làctia?

La fotometria i els espectres de la missió Gaia, així com els espectres obtinguts mitjançant observacions des de la Terra amb els espectrògrafs HERMES, SOPHIE i UVES, permeten desentranyar encara més els secrets d’aquest sistema binari. Com que no podem veure el forat negre, la majoria de la informació s’ha de deduir de l’estrella acompanyant, que és una única estrella gegant antiga. Ara bé, no és fàcil determinar l’edat d’aquesta estrella. En comparar-ne els colors i la magnitud amb models teòrics, s’estima que té més d’11.000 milions d’anys.

Sobre l’espectre de l’estrella acompanyant, es pot deduir que té una abundància baixa d’elements pesants. Això suggereix que també el Gaia BH3 es va formar a partir d’una estrella massiva pobra en elements pesants. Després de les troballes de la població de forats negres extragalàctics en aquesta gamma de masses a partir d’observacions d’ones gravitatòries, s’ha proposat que aquests forats negres de gran massa són restes d’estrelles massives pobres en elements pesants. Ara el forat negre Gaia BH3 avala aquesta teoria.

Un company estel·lar intrigant

L’estrella que orbita el Gaia BH3, a unes setze vegades la distància Sol-Terra, és força excepcional: és una antiga estrella gegant, que es va formar els primers dos mil milions d’anys després del big-bang, en el moment en què la nostra galàxia va començar a crear-se. Forma part de la família de l’halo galàctic estel·lar i s’està movent en direcció contrària a les estrelles del disc galàctic. La trajectòria indica que aquesta estrella probablement formava part d’una petita galàxia, o un cúmul globular, que la nostra pròpia galàxia va engolir fa més de vuit mil milions d’anys.

Això dona suport, per primera vegada, a la teoria que els forats negres de gran massa observats pels experiments d’ones gravitacionals van ser produïts pel col·lapse d’estrelles massives primitives pobres en elements pesants. Aquestes estrelles primerenques podrien haver evolucionat de manera diferent de les estrelles massives que veiem actualment a la galàxia.

La composició de l’estrella acompanyant també pot donar llum sobre el mecanisme de formació d’aquest sorprenent sistema binari. «El que em crida l’atenció és que la composició química de l’acompanyant és similar a la que trobem a les estrelles antigues pobres en metalls de la galàxia», explica Elisabetta Caffau, de l’Observatori de París del CNRS, també membre de la col·laboració Gaia.

Ara com ara, el procés de formació d’aquest sistema binari amb un forat negre planteja moltes incògnites. Aquest nou forat negre desafia la nostra comprensió sobre com es desenvolupen i evolucionen les estrelles massives. La majoria de teories prediuen que, a mesura que envelleixen, les estrelles massives llancen una part considerable del seu material a través de vents potents; en última instància, són parcialment expulsades a l’espai quan exploten com a supernoves. El que en queda del nucli es contreu per convertir-se en una estrella de neutrons o en un forat negre, depenent de la massa que tingui. Els nuclis prou grans per acabar sent forats negres de trenta vegades la massa del Sol són molt difícils d’explicar.

L’estrella companya té molt pocs elements més pesants que l’hidrogen i l’heli, fet que indica que l’estrella massiva que es va convertir en Gaia BH3 també podria haver estat molt pobra en elements pesants. Això dona suport, per primera vegada, a la hipòtesi que els forats negres d’alta massa observats pels experiments d’ones gravitacionals van ser produïts pel col·lapse d’estrelles massives primitives pobres en elements pesants. Aquestes primeres estrelles podrien haver evolucionat de manera diferent de les estrelles massives que veiem actualment a la nostra galàxia.

També hi ha molts dubtes sobre d’on prové aquest forat negre. Tot i que actualment es troba al pla de la Via Làctia, el seu moviment el situa en una òrbita retrògrada amb una gran inclinació amb el pla de la Via Làctia. El forat negre pot provenir d’un esdeveniment de fusió d’una petita galàxia o d’un cúmul globular amb la nostra galàxia. En el futur, és d’esperar que més estudis proporcionin més informació sobre com Gaia BH3 va acabar a la Via Làctia.

«Un nombre creixent de forats negres que es troben a la Via Làctia amb diferents mètodes —incloent-hi a través de microlents, com van documentar el 2022 els projectes OGLE i HST— ens apropa a una imatge més àmplia de la població d’aquests objectes a la galàxia i pot aportar llum sobre la naturalesa de la matèria fosca si es detecta un excés d’aquests forats negres a prop», comenta Łukasz Wyrzykowski, de la Universitat de Varsòvia (Polònia) i membre de la col·laboració Gaia.

«Des d’un punt de vista observacional, descobrir el Gaia BH3 no és gaire difícil i els instruments astronòmics i especialitzats seran capaços de detectar-ne els indicis. La dificultat rau en el fet que cal saber a quin dels milions d’estrelles has de dirigit el telescopi. Aquí és on l’enorme capacitat de Gaia entra en joc. La missió Gaia observa totes fonts celestes que són prou brillants per ser vistes pels seus detectors, i nosaltres van poder trobar l’agulla al paller», diu Johannes Sahlmann, membre de l’equip d’operacions científics de Gaia al Centre Europeu d’Astronomia Espacial.

Fins ara, les dades de la missió Gaia només han desvelat la punta de l’iceberg. Els períodes de temps més llargs en les futures publicacions de Gaia revelaran altres sistemes binaris que contenen forats negres, però també exoplanetes i altres sistemes binaris exòtics. El Gaia Data Release (DR4) estarà basat en 5,5 anys d’observacions, gairebé el doble del període de temps del tercer lliurament de dades, amb prop de tres anys d’observacions. Actualment, s’espera que la vida útil completa de Gaia sigui d’uns 10,5 anys.
 

Article de referència:

Gaia Collaboration; Panuzzo, P. et al.«Discovery of a dormant 33 solar-mass black hole in pre-release Gaia astrometry». Astronomy & Astrophysics, abril de 2024. Doi: 10.1051/0004-6361/202449763


Crèdits: ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO