El fin de las estrellas masivas: Un agujero negro histórico: Cygnus X-1

El agujero negro probablemente es el astro más extraño del Universo. La cuestión siguiente es, así pues, muy legítima: ¿tal objeto existe de verdad o sólo se trata del producto de la imaginación desenfrenada de los teóricos?

Una observación indirecta

Responder a esta cuestión plantea una dificultad de fondo, puesto que, por definición, un agujero negro es invisible, ya que ninguna radiación puede escaparse. Es por consiguiente imposible obtener una fotografía directa. La solución va a consistir en intentar detectar la presencia de un agujero negro indirectamente, por los efectos que produce sobre otro cuerpo.

Numerosas estrellas no están aisladas, sino forman parte de una pareja estelar. Cuando uno de los miembros de la pareja es una enana blanca o una estrella de neutrones, puede establecerse una transferencia de masa y producir fenómenos como las novas o algunos tipos de supernovas.

Si una de las estrellas es un agujero negro, procesos similares pueden producirse. De la masa transferida, se forma un disco de acreción, las temperaturas alcanzan valores extremos y se emiten grandes cantidades de rayos X. Esto nos proporciona un medio de detectar posibles agujeros negros: basta simplemente con encontrar fuentes de rayos X en estrellas binarias.

El problema, evidentemente, reside en el hecho de que las estrellas de neutrones también pueden producir rayos X en gran número. Es, pues, crucial poder determinar con certeza si una fuente es completamente un agujero negro. Un medio simple para eso es lograr determinar la masa del cuerpo que emite los rayos X.

En efecto, el estudio teórico de las estrellas de neutrones puso de manifiesto que su masa máxima era de cerca de tres veces la del Sol. Si una fuente de rayos X revela poseer más de tres masas solares, es legítimo pensar que no se trata de una estrella de neutrones, sino de un agujero negro.

El primer candidato: Cygnus X-1

El primer candidato fue descubierto al principio de los años setenta por el satélite Uhuru observando en rayos X. Éste detectó en la constelación del Cisne una fuente muy intensa, a la cual se dio el nombre de Cygnus X-1.

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Imagen desde Chandra del Cygnus X-1. Crédito: NASA/CXC

Además de su potencia, la radiación de este objeto tenía la particularidad de presentar variaciones extremadamente rápidas, a veces en tiempos de algunos milisegundos. Estas fluctuaciones muy rápidas ponían de manifiesto que la fuente debía ser muy pequeña.

En efecto, para que un proceso pueda hacer variar la luminosidad de un cuerpo de modo notable, debe afectar el objeto globalmente. Esto significa que necesariamente hay un intercambio de información entre todas las partes del cuerpo. Ahora bien, estos intercambios no se hacen instantáneamente, sino, en el mejor de los casos, a la velocidad de la luz, como nos lo enseña la relatividad restringida.

Si la luz tardaba un año para atravesar un cuerpo, éste no podría presentar variaciones notables a escala de un día. Así pues, las fluctuaciones muy rápidas de la intensidad de Cygnus X-1 probaban que este cuerpo debía ser muy pequeño, de un tamaño del orden de algunos centenares de kilómetros.

Observaciones más avanzadas

Las observaciones en rayos X no permitieron determinar precisamente la posición de Cygnus X-1 en el cielo. Hubo que esperar al 1972 para que los radioastrónomos alcanzaran allí. Resultó entonces que la fuente Cygnus X-1 debía estar vinculada, de una manera o de otra, a una estrella más normal situada a 6000 años-luz de nosotros, HDE226868, que ella misma no podía ser la fuente de los rayos X.

El análisis espectral de HDE226868 reveló un vaivén periódico de las líneas de la estrella, que ponía de manifiesto que debía estar en órbita alrededor de otro cuerpo. La conclusión era simple: HDE226868 tenía un compañero, Cygnus X-1, muy poco luminoso para ser observable en el visible, pero que atraía la materia de la estrella y se volvía así una fuente de rayos X.

¿Este compañero era un agujero negro o una estrella de neutrones? Gracias a la relación entre masa y luminosidad de las estrellas, los astrofísicos sabían que la estrella HDE226868, de tipo B, contenía 30 masas solares. También conocían, gracias al análisis del desplazamiento de las líneas, la amplitud del movimiento periódico de esta estrella.

A partir de estos datos, podían determinar la masa requerida para hacer efectuar a una estrella de 30 masas solares tal movimiento: Cygnus X-1 debía ser un cuerpo minúsculo, aproximadamente de 10 masas solares, lo que estaba claramente por encima de la masa límite para las estrellas de neutrones. Cygnus X-1 es, pues, muy probablemente un agujero negro. Su masa, su pequeño tamaño y la potencia de su radiación X parecen demostrarlo.

Hay que tener en cuenta, sin embargo, que esto no es absolutamente seguro. Quedan incertidumbres en el cálculo de la masa del objeto. Si el mundo está verdaderamente mal hecho, y si todos los errores van en el mismo sentido, puede que Cygnus X-1 tenga solo tres masas solares y sea simplemente una estrella de neutrones.

Otros candidatos

Desde Cygnus X-1, otros candidatos de origen estelar al título de agujero negro han sido descubiertos. Presentan todos las mismas características: emisiones X intensas, rápidamente variables, y una masa superior a tres veces la del Sol. Podemos citar, por ejemplo, A0620-00 en la constelación del Unicornio, LMC X-1 y LMC X-3 en la Gran Nube de Magallanes o V404 Cygni en la constelación del Cisne.

Este último ejemplo probablemente es el más convincente, ya que la masa mínima del cuerpo, teniendo en cuenta todas las incertidumbres, es de seis masas solares, es decir, dos veces la masa máxima de las estrellas de neutrones.

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