Una estrella desaparece ante los ojos de los astrónomos al convertirse en agujero negro

Por primera vez en la historia de la astronomía, científicos han presenciado el proceso completo por el cual una estrella moribunda se transforma en un agujero negro sin producir la esperada explosión de supernova.

El hallazgo, publicado en la revista Science, es el registro observacional más detallado jamás realizado de este fenómeno y confirma predicciones teóricas que llevaban medio siglo esperando verificación empírica.

El astro protagonista, catalogado como M31-2014-DS1, se encuentra a 2,5 millones de años luz de la Tierra, en la vecina galaxia de Andrómeda. Durante casi dos décadas, múltiples telescopios terrestres y espaciales documentaron su evolución, permitiendo a los investigadores reconstruir con precisión inédita su transformación final.

"Esta estrella era una de las más luminosas de la galaxia de Andrómeda, y de repente ya no estaba", explica Kishalay De, investigador asociado del Instituto Flatiron de la Fundación Simons y autor principal del estudio. "Imaginemos que Betelgeuse desapareciera de golpe. Todo el mundo se volvería loco. Algo similar ocurrió con esta estrella en Andrómeda".

El fracaso de una supernova

Las estrellas masivas (aquellas con masa superior a diez veces la del Sol) fusionan hidrógeno en helio en sus núcleos, generando una presión hacia el exterior que equilibra la atracción gravitatoria.

Cuando el combustible se agota, ese equilibrio se rompe. Habitualmente, el colapso del núcleo desencadena una onda de choque impulsada por neutrinos que expulsa violentamente las capas externas del astro, produciendo una supernova.

Pero en algunos casos, la onda de choque fracasa. Entonces, en lugar de explotar, la mayor parte del material estelar cae de vuelta sobre el núcleo colapsado, formando un agujero negro. Aunque esta posibilidad se contemplaba teóricamente desde hace décadas, faltaba evidencia observacional directa.

Los datos recopilados entre 2005 y 2023 revelan que M31-2014-DS1 comenzó a brillar en luz infrarroja en 2014. Dos años después, su luminosidad se desplomó abruptamente, reduciéndose en apenas un año.

Las observaciones de 2022 y 2023 confirmaron que la estrella prácticamente había desaparecido en las longitudes de onda ópticas y del infrarrojo cercano: su brillo se redujo a una diezmilésima parte del original en estas frecuencias. Actualmente solo es detectable en infrarrojo medio, donde resplandece a una décima parte de su luminosidad previa.

"La desaparición abrupta y sostenida de M31-2014-DS1 es diferente de las variaciones observadas en otras estrellas masivas evolucionadas", señala el artículo publicado en Science.

Los investigadores descartaron otros fenómenos conocidos -como episodios temporales de formación de polvo o efectos geométricos- porque ninguno podría explicar una reducción tan drástica y permanente del brillo total.

El papel crucial de la convección

El análisis detallado de M31-2014-DS1 permitió al equipo reinterpretar también las observaciones de NGC 6946-BH1, otra estrella candidata a desaparición documentada hace una década. Esta comparación reveló un elemento clave previamente subestimado: la convección en las capas externas de la estrella.

La convección surge de las enormes diferencias de temperatura entre el núcleo estelar, extremadamente caliente, y las regiones exteriores, mucho más frías. Este proceso hace que los gases se muevan caóticamente dentro de la estrella.

Cuando el núcleo colapsa, ese material convectivo aún se desplaza rápidamente, portando momento angular que impide su caída directa hacia el agujero negro recién formado.

Los modelos teóricos desarrollados por Andrea Antoni, investigadora del Instituto Flatiron y coautora del estudio, predecían que este momento angular haría que el material orbitara alrededor del agujero negro antes de caer gradualmente. "En lugar de tardar meses o un año en caer, tarda décadas", explica Antoni. "Y debido a todo esto, se convierte en una fuente más brillante de lo que sería de otro modo".

Solo aproximadamente el uno por ciento del material original de la envoltura estelar cae finalmente en el agujero negro, alimentando la luz residual que emana actualmente del objeto, estiman los investigadores.

Un laboratorio para décadas

La estrella progenitora, clasificada inicialmente como una candidata a supergigante roja, resultó ser más caliente de lo esperado. Los modelos estelares desarrollados por el equipo sugieren que tenía una masa inicial de unas 13 masas solares, pero había perdido la mayor parte de su envoltura rica en hidrógeno -probablemente por vientos estelares intensos o interacción con una estrella compañera- quedando con apenas cinco masas solares en sus últimos momentos, de las cuales solo 0,28 correspondían a hidrógeno.

Esta configuración, con una envoltura de hidrógeno empobrecida, resultó fundamental para explicar tanto la brevedad del estallido óptico inicial como la rapidez del desvanecimiento posterior, en contraste con lo predicho para estrellas que conservan envolturas ricas en hidrógeno.

"Sabemos desde hace casi 50 años que existen los agujeros negros", reflexiona De, "pero apenas estamos arañando la superficie para entender qué estrellas se convierten en agujeros negros y cómo lo hacen".

La luz del material polvoriento que rodea al agujero negro recién nacido "va a ser visible durante décadas con la sensibilidad de telescopios como el James Webb, porque va a seguir desvaneciéndose muy lentamente", anticipa el investigador. "Y esto puede acabar siendo un punto de referencia para comprender cómo se forman los agujeros negros estelares en el universo".

El descubrimiento de M31-2014-DS1, junto con la reinterpretación de NGC 6946-BH1, sugiere que estos objetos no son casos aislados sino miembros de una clase emergente de fenómenos astronómicos. "Solo con estos descubrimientos individuales empezamos a construir un panorama como este", concluye De.

La relación entre la masa inicial de las estrellas y su destino final

Los resultados plantean también interrogantes sobre la relación entre la masa inicial de las estrellas y su destino final. Según el estudio, la evolución estelar calculada para M31-2014-DS1 es similar a la de muchos progenitores de supernovas de colapso de núcleo observadas, lo que implica una relación compleja -posiblemente caótica- entre la masa al nacer y la formación de agujeros negros para estrellas con masas iniciales superiores a 12 masas solares, tal como predecían algunos modelos teóricos.

El trabajo ha sido posible gracias a datos del proyecto NEOWISE de la NASA y de múltiples observatorios terrestres y espaciales, incluyendo el telescopio espacial Hubble, el telescopio Keck en Hawái y el observatorio MMT en Arizona. La investigación contó con financiación de la NASA y la Fundación Simons, entre otras instituciones.