El GTC permite observar la veloz ‘caída’ de dos estrellas en sus agujeros negros

La danza en espiral que despliega una estrella en torno a un agujero negro no deja de despertar la fascinación de la comunidad astrofísica. En estos sistemas binarios, la estrella gira sobre el agujero negro atrapada en su campo gravitatorio; él va extrayendo material de ella hasta que lentamente acaba por engullirla. Los investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) Jonay González-Hernández, Rafael Rebolo y Jorge Casares, han comprobado en dos de estos sistemas, gracias a la ayuda del instrumento OSIRIS en el Gran Telescopio CANARIAS (GTC), que las estrellas estudiadas están ‘cayendo" en los agujeros negros sobre los que orbitan y han descubierto que lo hacen más rápido de lo que la teoría predice.

Según han podido observar los astrofísicos, cuyo trabajo aparece publicado hoy en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, cada giro de la estrella sobre al agujero, el llamado periodo orbital, acerca progresivamente a las estrellas estudiadas al "horizonte de sucesos", el punto de no retorno a unos 20 kilómetros del agujero negro, donde acabarán siendo absorbidas. La masa de la estrella secundaria que es capturada por el agujero negro forma una estructura con forma de disco en torno a éste denominada disco de acreción o agregación.

Los dos sistemas binarios observados son XTE J1118+480, con un agujero negro de aproximadamente 7,5 masas solares y su estrella secundaria, de unas 0,2 masas solares, situado en el halo de la Vía Láctea; y A0620-00 (V616 Monocerotis o V616 Mon), que presenta un agujero negro un poco menos masivo, de 6,6 masas solares, con una estrella secundaria de unas 0,4 masas solares, y se encuentra localizado en la dirección en el cielo correspondiente a la constelación de Monoceros.

Ambos tienen periodos orbitales distintos: en el primero, la estrella tarda 4,1 horas en realizar un giro sobre el centro de masas del sistema, a una velocidad de 765 kilómetros por segundo (2,7 millones de km/h). En el segundo, la estrella viaja a una velocidad orbital de 560 km/s (2 millones de km/h), con lo que tarda 7,75 horas en realizar cada giro. Velocidades de vértigo que no alcanzamos ni a imaginar. Para hacerse una idea en términos comparativos: la Tierra viaja en su movimiento orbital en torno al Sol a 30 km/s o a unos cien mil km/h aproximadamente.

El investigador del IAC y autor del trabajo, Jonay González-Hernández, explica que "dada la similitud de ambos sistemas binarios, es interesante entenderlos como dos fases de una misma secuencia evolutiva. El sistema de periodo orbital más corto se acerca a mayor velocidad. En dicha secuencia, la estrella, a medida que se acerca al agujero negro, lo hace cada vez más deprisa".

"Por tanto, la caída de las estrellas sobre sus respectivos agujeros negros no solo se produce más rápidamente de lo esperado, sino que además la velocidad de caída quizás sea acelerada [ver animación], lo que implicaría que los tiempos de vida de estos sistemas son realmente cortos a escala astronómica, de unas decenas de millones de años, mucho menores de lo que se creía", añade González-Hernández.

En su origen, estos sistemas binarios están compuestos por una estrella secundaria de tipo solar y una estrella primaria mucho más masiva que el Sol (con más de ocho o diez masas solares), que evoluciona rápidamente y acaba explotando como una supernova. Esta supernova da lugar al agujero negro.

¿Nuevas teorías de la gravedad?

La teoría del modelo estándar describe el acercamiento de una estrella a un agujero negro hasta ser finalmente engullida, pero no había sido posible corroborarlo porque no se disponía de la instrumentación adecuada instalada en telescopios de gran diámetro y porque se necesitan escalas de tiempo de diez a 20 años para observar estas variaciones de periodo orbital.

El sistema A0620-00 se descubrió en 1975 mientras que XTE J1118+480 fue descubierto en el año 2000, ambos durante una fase de erupción del disco de acreción en torno al agujero negro, un momento en el que estos sistemas aumentan considerablemente su luminosidad. Estas erupciones se repiten cada cinco o diez años, pero pueden pasar incluso varias décadas sin que se produzca una.

"Las erupciones en el disco de acreción son observadas desde la Tierra como la aparición en el cielo de una estrella: en la misma posición, pero mucho más brillante. No es quizás tan espectacular como el descubrimiento de una explosión de supernova pero también impresiona", comenta González-Hernández.

La teoría estándar de la física no predice que las caídas de las estrellas en los agujeros negros se produzcan tan rápidamente. Para el astrofísico del IAC, "ningún modelo estándar es capaz de explicar este resultado. Existen algunas teorías alternativas y/o complementarias a la teoría de la relatividad general de Einstein que están intentando explicar este resultado, aunque todavía no se puede demostrar su viabilidad".

En el futuro, los investigadores se plantean estudiar otros sistemas binarios con distintos periodos orbitales, con el objetivo de comprobar si la tendencia observada es universal.