Los astrónomos que utilizan el Telescopio Espacial Hubble de la NASA han encontrado lo que dicen es una de sus mejores pruebas hasta ahora de la presencia de una clase rara de agujero negro de "tamaño intermedio" que puede estar al acecho en el corazón del cúmulo estelar globular más cercano a la Tierra, ubicado a 6.000 años luz de distancia.

Al igual que los intensos baches gravitatorios en el tejido del espacio, prácticamente todos los agujeros negros parecen tener dos tamaños: pequeños y enormes. Se estima que nuestra galaxia está plagada de 100 millones de pequeños agujeros negros (varias veces la masa de nuestro Sol) creados a partir de estrellas que explotaron. El universo en general está inundado de agujeros negros supermasivos, que pesan millones o miles de millones de veces la masa de nuestro Sol y se encuentran en los centros de las galaxias.

Un eslabón perdido largamente buscado es un agujero negro de masa intermedia, que pesa entre 100 y 100.000 masas solares. ¿Cómo se formarían, dónde pasarían el rato y por qué parecen ser tan raros?

Los astrónomos han identificado otros posibles agujeros negros de masa intermedia a través de una variedad de técnicas de observación. Dos de los mejores candidatos, 3XMM J215022.4−055108, que el Hubble ayudó a descubrir en 2020, y HLX-1, identificado en 2009, residen en densos cúmulos estelares en las afueras de otras galaxias. Cada uno de estos posibles agujeros negros tiene la masa de decenas de miles de soles, y pueden haber estado alguna vez en el centro de las galaxias enanas. El observatorio de rayos X Chandra de la NASA también ha ayudado a realizar muchos posibles descubrimientos de agujeros negros intermedios, incluida una muestra grande en 2018.

Mirando mucho más cerca de casa, se han detectado varios agujeros negros sospechosos de masa intermedia en densos cúmulos de estrellas globulares que orbitan nuestra galaxia, la Vía Láctea. Por ejemplo, en 2008, los astrónomos del Hubble anunciaron la sospecha de la presencia de un agujero negro de masa intermedia en el cúmulo globular Omega Centauri. Por una serie de razones, incluida la necesidad de más datos, estos y otros hallazgos de agujeros negros de masa intermedia aún no son concluyentes y no descartan teorías alternativas.

Las capacidades únicas del Hubble ahora se han utilizado para concentrarse en el núcleo del cúmulo estelar globular Messier 4 (M4) para buscar agujeros negros con mayor precisión que en búsquedas anteriores. "No se puede hacer este tipo de ciencia sin el Hubble", dijo Eduardo Vitral del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland, autor principal de un artículo que se publicará en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

El equipo de Vitral ha detectado un posible agujero negro de masa intermedia de aproximadamente 800 masas solares. El objeto sospechoso no se puede ver, pero su masa se calcula estudiando el movimiento de las estrellas atrapadas en su campo gravitatorio, como las abejas que pululan alrededor de una colmena. Medir su movimiento lleva tiempo y mucha precisión. Aquí es donde el Hubble logra lo que ningún otro telescopio actual puede hacer. Los astrónomos estudiaron 12 años de observaciones de M4 del Hubble y resolvieron estrellas puntuales.

Su equipo estima que el agujero negro en M4 podría tener hasta 800 veces la masa de nuestro Sol. Los datos del Hubble tienden a descartar teorías alternativas para este objeto, como un cúmulo central compacto de remanentes estelares no resueltos como estrellas de neutrones, o agujeros negros más pequeños que se arremolinan entre sí.

"Tenemos mucha confianza en que tenemos una región muy pequeña con mucha masa concentrada. Es unas tres veces más pequeña que la masa oscura más densa que habíamos encontrado antes en otros cúmulos globulares", dijo Vitral. “La región es más compacta de lo que podemos reproducir con simulaciones numéricas cuando tomamos en cuenta una colección de agujeros negros, estrellas de neutrones y enanas blancas segregadas en el centro del cúmulo. No pueden formar una concentración de masa tan compacta."

Una agrupación de objetos muy unidos sería dinámicamente inestable. Si el objeto no es un solo agujero negro de masa intermedia, requeriría aproximadamente 40 agujeros negros más pequeños amontonados en un espacio de solo una décima parte de un año luz de ancho para producir los movimientos estelares observados. Las consecuencias son que se fusionarían y/o serían expulsados en un juego de pinball interestelar.

"Medimos los movimientos de las estrellas y sus posiciones, y aplicamos modelos físicos que intentan reproducir estos movimientos. Terminamos con una medición de una extensión de masa oscura en el centro del cúmulo", dijo Vitral. "Cuanto más cerca de la masa central, más aleatoriamente se mueven las estrellas. Y, cuanto mayor es la masa central, más rápidas son estas velocidades estelares".

Debido a que los agujeros negros de masa intermedia en los cúmulos globulares han sido tan escurridizos, Vitral advierte: "Si bien no podemos afirmar completamente que es un punto central de gravedad, podemos demostrar que es muy pequeño. Es demasiado pequeño para que podamos explicar aparte de que es un solo agujero negro. Alternativamente, podría haber un mecanismo estelar que simplemente no conocemos, al menos dentro de la física actual".