Con un radiotelescopio de Sudáfrica se ha identificado un sistema binario formado por una estrella pulsante y un misterioso objeto compacto, con unas 2,35 masas solares, lo que lo sitúa en la llamada ‘brecha de masas’ entre las estrellas de neutrones y los agujeros negros. Si fuera esto último, se tendría la codiciada pareja púlsar de radio-agujero negro, que permitiría nuevos test de la relatividad general de Einstein.

Las estrellas de neutrones, los restos ultradensos de la explosión de una supernova, solo pueden tener un peso limitado. Una vez que adquieren demasiada masa, por absorber o colisionar con otra estrella, se colapsan. Se ha especulado mucho sobre en qué se convierten luego, pero la opinión predominante es que en agujeros negros, objetos tan gravitatoriamente potentes que ni siquiera la luz puede escapar de ellos.

La teoría, respaldada por la observación, indica que los agujeros negros más ligeros que pueden crearse por el colapso de estrellas son unas 5 veces más masivos que el Sol, es decir, que tienen unas 5 masas solares. Esto es considerablemente mayor que las 2,2 masas solares que se requieren para que colapse una estrella de neutrones (las más masivas tienen hasta 2,5), dando lugar a lo que se conoce como la brecha de masa de los agujeros negros. Se desconoce la naturaleza de los objetos compactos que se encuentran dentro de este ‘hueco’, ya que solo se han captado algunos datos en lejanos eventos de fusión de ondas gravitacionales.

Ahora, el descubrimiento de un objeto en esta brecha de masa en nuestra propia galaxia por un equipo de astrónomos de la colaboración internacional TRAnsients and PUlsars with MeerKAT (TRAPUM) puede ayudar a comprender por fin lo que son.

Su trabajo, coordinado desde el alemán Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR, que colidera TRAPUM junto a la Universidad de Mánchester) y publicado esta semana en la revista Science, informa sobre una pareja masiva de estrellas u objetos compactos en el cúmulo globular NGC 1851, en la constelación austral de Columba (la paloma).

Utilizando el radiotelescopio MeerKAT de Sudáfrica, en combinación con potentes instrumentos construidos por ingenieros del MPIfR, pudieron detectar débiles pulsos procedentes de una de las estrellas, identificándola como un púlsar de radio, un tipo de estrella de neutrones que gira rápidamente y emite haces de luz de radio hacia el universo como un faro cósmico. Este púlsar, denominado PSR J0514-4002E, gira más de 170 veces por segundo, y cada rotación produce un pulso rítmico, como el tic-tac de un reloj.

Mediante la observación de pequeños cambios en este tic-tac a lo largo del tiempo, utilizando una técnica llamada pulsar timing o cronometraje de púlsares, fueron capaces de realizar mediciones extremadamente precisas de su movimiento orbital.

«Es como orbitar un cronómetro casi perfecto alrededor de una estrella a casi 40.000 años luz de distancia y cronometrar esas órbitas con una precisión de microsegundos», explica Ewan Barr, que dirigió el estudio junto con Arunima Dutta, colega y doctoranda del MPIfR.

Esa temporización regular también permitió medir con gran precisión la ubicación del sistema, lo que demostró que el objeto que se mueve junto al púlsar no era una estrella normal (es invisible en las imágenes de NGC 1851 del telescopio espacial Hubble), sino un resto extremadamente denso de una estrella colapsada.

Además, el cambio observado en el tiempo del punto más cercano de aproximación entre las dos estrellas u objetos (el periastro) mostró que la compañera o compañero tiene una masa que es mayor que la de cualquier estrella de neutrones conocida pero menor que la de cualquier agujero negro conocido, lo que la sitúa directamente en la brecha de masa de los agujeros negros.

Como las estrellas de neutrones más masivas suelen tener entre 2,2 y 2,5 masas solares (más cerca de lo primero, aunque es objeto de debate), mientras que los agujeros negros de menos de 5 masas solares rara vez se observan, ¿qué es entonces este misterioso objeto compacto, que tiene entre 2,09 y 2,71 masas solares?

“Depende de cuál sea realmente la masa máxima de las estrellas de neutrones”, subraya Barr a SINC, y lo explica: “Existen pruebas convincentes, procedentes de fusiones por ondas gravitacionales, de que la masa máxima de una estrella de neutrones se sitúa en torno a 2,17. Según nuestras observaciones, la masa más probable de la compañera es de 2,35 masas solares. Basándonos en esto, el balance de probabilidades sugiere que lo que hemos encontrado es demasiado pesado para ser una estrella de neutrones y, por tanto, es más probable que sea un agujero negro”.

“Sin embargo, sinceramente, yo no me fiaría ni de lo uno ni de lo otro –comenta–. La masa por sí sola no es una prueba especialmente persuasiva para una u otra interpretación y es seguro que tras hacer público este resultado habrá teóricos que soñarán con nuevas formas de crear estrellas de neutrones ultramasivas”.

¿Y si fuera una estrella de quarks?

Respecto a la posibilidad de que no sea ni una estrella de neutrones ni un agujero negro, apunta: «La probabilidad de que eso ocurra es extremadamente pequeña. Existen objetos teóricos más densos que una estrella de neutrones, pero no lo suficiente como para colapsar y convertirse en un agujero negro. Un candidato es una estrella de quarks compuesta por una especie de plasma estable de quarks y gluones que no se colapsa debido a las fuerzas de repulsión entre estos quarks. Una estrella así sería masiva y densa, pero también muy difícil de detectar directamente debido a la falta de emisión electromagnética. Por el momento, no existen pruebas convincentes de la existencia de este tipo de estrellas».

«Sea lo que sea este objeto, es una noticia apasionante», afirma Paulo Freire, también del MPIfR. «Si es un agujero negro, será el primer sistema púlsar-agujero negro conocido, que ha sido el Santo Grial de la astronomía de púlsares durante décadas», indica. Esta codiciada pareja estelar permitiría realizar nuevas pruebas o test de la relatividad general de Einstein.

«Y si es una estrella de neutrones –continúa–, tendrá implicaciones fundamentales para nuestra comprensión del desconocido estado de la materia a estas increíbles densidades».

Una historia de formación exótica

El equipo propone que la formación del objeto masivo, y su posterior emparejamiento con el púlsar de radio de giro rápido en una órbita estrecha, es el resultado de una historia de formación bastante exótica, solo posible debido a su particular entorno local. Este sistema se encuentra en un cúmulo globular (NGC 1851) con una densa colección de estrellas viejas que están mucho más apretadas que las del resto de la galaxia. Aquí, la aglomeración es tal que las estrellas pueden interactuar entre sí, perturbando sus órbitas y, en los casos más extremos, colisionando.

La explicación sobre su posible formación no es sencilla. Se cree que una de esas colisiones entre dos estrellas de neutrones creó el objeto masivo misterioso (sea agujero negro o estrella de neutrones). Por su parte, el púlsar de radio (de milisegundos, MSP) debió adquirir material de una estrella donante en una binaria de rayos X de baja masa (LMXB).

Este proceso de «reciclaje» es necesario para que el púlsar alcance su velocidad de rotación actual. Los autores creen que esta estrella donante (que quedó como enana blanca, WD) fue sustituida por el objeto masivo actual durante un encuentro de intercambio.

«Se trata del púlsar binario más exótico descubierto hasta ahora», afirma el coautor Thomas Tauris, de la Universidad de Aalborg (Dinamarca), «y su larga y compleja historia de formación supera los límites de nuestra imaginación».

Aunque el equipo no puede afirmar de forma concluyente si han encontrado la estrella de neutrones más masiva conocida, el agujero negro más ligero conocido o incluso alguna nueva variante de estrella exótica, lo cierto es que han descubierto un laboratorio único para sondear las propiedades de la materia en las condiciones más extremas del universo.

«Aún no hemos terminado con este sistema», afirma Arunima Dutta, que concluye: «Descubrir la verdadera naturaleza de la compañera será un punto de inflexión en nuestra comprensión de las estrellas de neutrones, los agujeros negros y cualquier otra cosa que pueda estar al acecho en la brecha de masa de los agujeros negros».

Próximos pasos para resolver el misterio

Por su parte, Barr comenta los próximos pasos: “Estamos realizando observaciones para detectar cambios en la señal del púlsar debidos al campo gravitatorio de su pareja. La detección de estos efectos nos indicaría con mayor seguridad cuál es la masa del púlsar y del objeto compacto. El radiotelescopio MeerKAT no es lo suficientemente sensible para detectar estos efectos, y esperamos con impaciencia la llegada de nuevos instrumentos, como el telescopio Square Kilometre Array, que debería detectar fácilmente estos cambios”.

“Hay un efecto relativista en particular que nos interesa, llamado precesión Lense-Thirring, que se produce en presencia de objetos fuertemente gravitatorios (básicamente, los objetos arrastran consigo el espacio-tiempo a medida que giran, como las corrientes en el océano). A diferencia de otros efectos, que solo nos indicarían la masa de la estrella u objeto compañero, la detección de la precesión Lense-Thirring nos informa sobre la velocidad a la que gira. Se espera que los agujeros negros giren mucho más rápido que las estrellas de neutrones, por lo que esto nos daría una forma directa de saber cuál de los dos es”. La investigación del enigmático objeto continúa.

Referencia:

Ewan Barr, Arunima Dutta et al. (2024) A pulsar in a binary with a compact object in the mass gap between neutron stars and black holes Science doi: 10.1126/science.adg300

Una versión de este artículo fue publicada originalmente en SINC el 18 de enero de 2024. Autor: Enrique Sacristán.