Resuelven el misterio de un extraordinario emisor espacial de rayos X

Hace tres décadas, uno de los primeros telescopios espaciales capaces de captar rayos X en el espacio detectó un tipo de objeto desconocido: brillaba en rayos X más que cualquier estrella, pero mucho menos que otras fuentes identificadas, como los núcleos de galaxias activas. Con no mucha originalidad se bautizó a estos nuevos objetos fuentes X ultraluminosas o ULX. Y aún no está claro lo que son.

Ahora, un grupo en el que participa un investigador postdoctoral del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de la Universidad de La Laguna (ULL), Fabien Grisé, ha logrado descifrar este misterio y lo publica hoy en la revista Nature. Resulta que lo que hace brillar tanto a la fuente ULX mejor estudiada no es, como muchos esperaban, uno de los muy buscados agujeros negros de masa intermedia.

La fuente ultraluminosa observada, llamada ULX P13, sí que alberga un agujero negro, pero uno de tipo estelar, pequeño, de menos de 15 masas solares. ¿Cómo explicar entonces su brillo en rayos X, muy superior al que generaría cualquier agujero negro estelar conocido? Con una característica especial: el agujero negro de P13 come con una avidez mayor de lo habitual.

“ULX P13 emite tanta energía porque alberga un agujero negro que come diez veces más rápido de lo que se creía posible; ése es uno de los resultados importantes de nuestro trabajo”, subraya en la nota del IAC Grisé, actualmente investigador de la Universidad de Estrasburgo (Francia), pero que realizó parte de esta investigación mientras trabajaba en el grupo del experto en agujeros negros Jorge Casares, del IAC.

El cuadro completo de lo que ocurre en ULX P13, que está a 12 millones de años luz de aquí, es el siguiente: Para empezar no es un objeto, sino dos: una pareja formada por una estrella supergigante con 20 veces la masa del Sol y el agujero negro. Éste completa una órbita en torno a la estrella en 64 días, mientras absorbe parte de la masa de su compañera.

Esa materia que el agujero tan rápidamente devora es la causa de la gran luminosidad del sistema: los agujeros negros en sí no brillan, pero sí lo hace, y mucho, la materia que se acelera y calienta mientras cae, como en un último grito antes de ser absorbida por el sumidero cósmico.

“ULX P13 es una fuente muy brillante de rayos X, mucho más luminosa que los agujeros negros que hay en nuestra propia galaxia”, explica Grisé. “Lo que la hace doblemente especial es que la estrella que alimenta el sistema es también más brillante que en otras ULX. Por eso hemos podido entender la naturaleza del sistema y medir la rotación de ambos”.

Tema 'caliente'

El misterio de la naturaleza de las ULX se convirtió en uno de los temas calientes de la astrofísica en la pasada década. Los nuevos telescopios permitían estudiar cada vez con más detalle las propiedades de la emisión en torno a los agujeros negros, pero las ULX seguían desafiando a los investigadores precisamente porque no se conseguía detectar a la estrella donante en ningún sistema.

Entender ULX P13 ha llevado varios años de observaciones con dos telescopios espaciales de rayos X: Chandra, de la NASA, y XMM-Newton, de la Agencia Espacial Europea (ESA). Además, desde Tierra, con telescopios de luz visible, se determinó la naturaleza de la estrella donante y se midió su órbita. Es la primera vez que se logra hacer algo así con una ULX.

Sin agujeros negros ‘medianos’

Grisé cree que lo observado en la ULX P13 es aplicable a muchas otras fuentes de esta clase: “No diré que todas las fuentes ULX son agujeros negros estelares, pero sí considero que la mayoría de ellas pueden ser explicadas así”.

Se descarta, por tanto, para la ULX P13 –y, si Grisé tiene razón, también para la mayoría de las fuentes ULX-, la que para muchos era la hipótesis preferida: que la causa del brillo es un agujero negro de masa intermedia, de entre varios centenares y miles de masas solares. Estos agujeros negros medianos son muy buscados porque los modelos actuales de formación de estructuras en el Universo predicen su existencia, pero todavía no se ha detectado ninguno con certeza.

“Hoy sabemos que en el núcleo de las galaxias hay agujeros negros gigantescos, que contienen millones de veces la masa del Sol”, señala Casares; “también se sabe que las estrellas muy masivas, después de estallar como supernovas, forman los agujeros negros estelares, de hasta varias veces la masa del Sol. Lo que no sabemos es si hay agujeros negros de masa intermedia, con centenares o miles de masas solares. Su existencia parece necesaria para explicar cómo se formaron los agujeros negros supermasivos y, cuando se detectaron las fuentes ULX en los años ochenta, mucha gente pensó que eran los buscados agujeros negros de masa intermedia”.

Grisé reconoce, no obstante, que sus datos no eliminan la posibilidad de que haya fuentes ULX con agujeros negros medianos: “Aún podrían existir los agujeros negros de masa intermedia, pero únicamente en las muy pocas fuentes ULX extremadamente luminosas”.

Un apetito extremo

Queda por explicar la gran avidez del agujero de ULX P13: ¿Por qué devora tan rápidamente el gas de su estrella compañera? Los astrofísicos ya tienen varias respuestas listas y no implican fenómenos extraños.

La explicación más probable, aseguran, es que la rápida expansión de la estrella compañera supergigante "sobrealimente" al agujero negro, forzándole a tragar materia por encima de lo que es habitual. El trabajo ha sido liderado por Christian Motch, de la Universidad de Estrasburgo.

Referencia bibliográfica:

C. Motch, M. W. Pakull, R. Soria, F. Grisé y G. Pietrzyski: A mass of less than 15 solar masses for the black hole in an ultraluminous X-ray source. Nature (2014). DOI: 10.1038/nature13730.