El agujero negro ω Cen*

El cúmulo globular Omega Centauri es extraordinario, y aparece seguido acá en el blog. No sólo es el más grande de la Vía Láctea, sino que se encuentra relativamente cerca nuestro, de manera que es enorme en el cielo. Tiene una población de estrellas muy rica y compleja, lo cual hace sospechar que se trata del cúmulo central de alguna de las muchas galaxias pequeñas que fueron incorporadas a la Vía Láctea, cosa que también hemos contado. Ahora bien, si es el residuo de una galaxia, ¿no debería tener en el centro un agujero negro? No te digo uno gigante, de millones de masas solares, como el de la Vía Láctea. Sino más bien uno medianito, adecuado para una galaxia enana. Durante años se lo buscó, y hasta hubo varios anuncios de su descubrimiento, que resultaron apresurados y falsos. Pero ahora parece que lo descubrieron. Los agujeros negros centrales de la Vía Láctea y de M87 se designan con un asterisco: Sgr A* (sagitario-a-estrella) y M87* (eme-ochenta-y-siete-estrella). Así que este debería llamarse ω Cen* (omega-centauri-estrella), aunque todavía no vi a nadie llamarlo así.

Un grupo de astrónomos muy internacional han revisado más de 20 años de fotos tomadas con el telescopio Hubble, las han complementado con cientos de miles de observaciones hechas con el VLT del Observatorio Europeo Austral, y han compilado un catálogo del movimiento de casi un millón y medio de estrellas individuales del cúmulo. Es un trabajo impresionante, considerando que las estrellas están tan apretadas en Omega Centauri. Ya han publicado varios trabajos con sus resultados, y uno de ellos precisamente se trata del agujero negro central. Se han concentrado en el movimiento de un puñado de estrellas especialmente veloces de su catálogo, muy cerca del centro. Son las que están marcadas en esta imagen, fíjense la resolución:

Como se ve en la figura, las velocidades son enormes, del orden de 100 km/s. De hecho, son velocidades tan grandes que podrían directamente escapar del cúmulo. La única alternativa es que están retenidas por un objeto en el centro que no emite luz (en el centro del círculo celeste), pero que ejerce su atracción gravitatoria: el tan buscado agujero negro "de masa intermedia". 

Voy a mostrar el movimiento de la más rápida de estas estrellas, la que se mueve a 113 km/s (tres segundos de acá a Neuquén, ponele), para que se vea la exquisita resolución de estas mediciones:

Las fotos de la derecha muestran fotogramas del movimiento de la estrella, marcada con un símbolo rosa. Entre 2002 y 2023 la vemos moverse varios pixels hacia arriba y la izquierda, a lo largo de la rayita rosa. ¡Pero vean la escala! El ancho total del recorte es 0.8 segundos de arco (un pelo a 25 metros). Con estas mediciones está construido el gráfico de la izquierda, que es la posición en el cielo, desde el extremo azul hasta el amarillo a medida que pasa el tiempo. Es una línea recta de 100 milisegundos de arco. A 17700 años luz de distancia, es fácil calcular cuánto se movió, usando trigonometría. Me da 600 unidades astronómicas. ¡En 20 años! Es decir, esta estrella se movió 20 veces más que la distancia del Sol a Neptuno, en el tiempo en que Neptuno recorrió apenas un octavo de su órbita.

¿Cuánto pesa el agujero negro central? No es fácil decirlo. Las trayectorias observadas, tal como se ve en el caso que mostré, son rectas, sin atisbo de aceleración, que permitiría calcular la masa central. Se conjetura que son órbitas elípticas muy elongadas, y que eventualmente, en las próximas décadas, se podrá medir directamente la curvatura, y calcular la aceleración y luego la masa. Mientras tanto, hay bastante incerteza. Pero vean lo siguiente. Es una comparación entre el movimiento de las siete estrellas de este trabajo, con el de las estrellas que están en órbita de Sagitario A*, el agujero negro gigante del centro de la Vía Láctea:

Los desplazamientos son parecidos, ¿no? Son 20 años en Omega Centauri, y 2 años en Sgr A*, diez veces menos. Como el período y el desplazamiento al cuadrado deben corresponder a la masa central, la de Omega Centauri debe ser 100 veces menor que la de Sgr A*, que es de 4.3 millones de masas solares. Así que el agujero negro de ω Cen debe ser de unas 40 mil masas solares. Estudios de la década pasada, basados en la dinámica del cúmulo, apuntaban a una masa precisamente en este rango. Los autores del actual trabajo calculan un límite inferior de 8200 masas solares, de manera que la única explicación es la de un agujero negro. La masa exacta sigue siendo una incógnita, pero no tengo dudas de que habrá cálculos más precisos basados en estas observaciones. 

¿Y cuál será la galaxita de la cual Omega Centauri era el núcleo? Acá me llevé otra sorpresa, porque los autores apuntan nada menos que a la galaxia de Gaia-Enceladus, la conocida Salchicha de Gaia que comenté recientemente. En aquella nota mencionaba que el núcleo de esa galaxia podría ser el cúmulo NGC 5286, también gigante. Efectivamente, estuve revisando, y hay bastante evidencia también a favor de que Omega Centauri sea el núcleo de la Salchicha. Tal como comenté, estas identificaciones son inciertas. La "arqueología galáctica" está todavía en pañales. El único que parece firme es M 54, como núcleo de la galaxia llamada Enana de Sagitario.

Los dejo con un zoom al centro (aparentemente vacío) de Omega Centauri:

Hay otro trabajo reciente, teórico éste, que muesta cómo se podrían formar agujeros negros en el centro de globulares verdaderos, por fusión de estrellas en la primera etapa de formación del cúmulo (un mecanismo que evita que salga despedido por interacción de muchos cuerpos). A lo mejor empiezan a detectarlos en todos los globulares.

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El paper es Häberle et al., Fast-moving stars around an intermediate-mass black hole in ω Centauri, Nature 631:285 (2024). De allí, o de notas de prensa relacionadas, son las imágenes.

El paper comienza de una manera que me llamó mucho la atención, porque yo trato de evitarlo en el blog. Empieza con una letra griega:

Yo, en estos casos, tiendo a usar el nombre de la letra, en lugar del símbolo, para poder ponerlo en mayúscula, Omega. Más que nada, porque no todo el mundo está familiarizado con las letras griegas. Si uno deja el símbolo griego, ¿habrá que convertirlo a mayúscula, Ω? Pero en astronomía (y en todas las ciencias), el símbolo en minúscula no es intercambiable con el mismo en mayúscula. Qué lío. Estuve revisando, y cada revista tiene su propio criterio para esto. 

Sobre la filiación de Omega Centauri, ver por ejemplo: Pfeffer et al., The accreted nuclear clusters of the Milky Way, MNRAS 500:2514–2524 (2021).

El paper sobre formación de agujeros negros en cúmulos globulares es Fujii et al., Simulations predict intermediate-mass black hole formation in globular clusters, Science 384:1488-1492 (2024).