Cygnus X-1 Reescrito: El icónico sistema de agujeros negros se revela más ligero, pero más rico en elementos pesados ​​de lo esperado

Fuente Universitat Heidelberg

Un equipo internacional de astrónomos, liderado por Varsha Ramachandran, del Centro de Astronomía de la Universidad de Heidelberg, ha revelado nuevos y sorprendentes hallazgos sobre Cygnus X-1, el primer sistema de agujeros negros confirmado de la Vía Láctea. Los hallazgos redefinen drásticamente nuestra comprensión de este dúo cósmico de referencia, revelando que tanto el agujero negro como su estrella compañera masiva son significativamente más ligeros de lo que se creía, y que la estrella es inesperadamente rica en elementos pesados. El estudio «Análisis espectral ultravioleta y óptico completo de Cygnus X-1: Parámetros estelares y de viento, abundancias e implicaciones evolutivas» se publicó recientemente en la revista científica Astronomy & Astrophysics.

Cygnus X-1, descubierto en la década de 1960, es una de las fuentes de rayos X más potentes del cielo y uno de los primeros candidatos a agujero negro ampliamente aceptados. Se trata de un sistema binario estelar ubicado a unos 7000 años luz de la Tierra, en la constelación del Cisne, y está compuesto por un agujero negro y una estrella compañera supergigante azul masiva.

Utilizando sofisticados modelos de atmósferas estelares y décadas de datos de alta resolución obtenidos con instrumentos como el Telescopio Espacial Hubble, un equipo de astrofísicos realizó el primer análisis espectral ultravioleta y óptico combinado del sistema Cygnus X-1. Sus hallazgos sugieren que el agujero negro pesa alrededor de 14 masas solares, mientras que la estrella compañera, HD 226868, tiene unas 29 masas solares, ambas considerablemente inferiores a las estimaciones previas de alrededor de 21 y 40 veces la masa del Sol, respectivamente.

“Estudios previos a menudo se basaban en suposiciones simplificadas”, explicó la Dra. Varsha Ramachandran, autora principal del Astronomisches Rechen-Institut, que forma parte del Centro de Astronomía de la Universidad de Heidelberg. “Nuestros modelos tienen en cuenta la compleja dinámica de los vientos de la estrella y la influencia de la radiación de rayos X del disco de acreción del agujero negro, lo que proporciona una imagen mucho más clara”.

Quizás lo más sorprendente sea la composición química de la estrella. Si bien se esperan aumentos superficiales de helio y nitrógeno en estrellas masivas evolucionadas, los investigadores encontraron niveles excepcionalmente altos de hierro, silicio y magnesio, entre un 30 % y un 80 % por encima de los niveles solares.

“Este contenido metálico supersolar es bastante desconcertante”, afirmó Elisa Schoesser, estudiante de doctorado y coautora del artículo. “Es diferente a todo lo que observamos en otras estrellas cercanas, que suelen tener menos elementos pesados ​​que el Sol”. El origen de este enriquecimiento sigue sin estar claro. Una posibilidad es que la supernova que formó el agujero negro contaminara la estrella compañera. Como alternativa, el sistema podría haberse formado a partir de una nube de gas inusualmente rica en metales, aunque esto desafía los modelos existentes de evolución química galáctica. «Si estas abundancias son intrínsecas, tendrán implicaciones significativas para nuestra comprensión de la evolución estelar y la formación de agujeros negros en entornos ricos en metales», añadió el Dr. Ramachandran.

El estudio también revisa la perspectiva tradicional sobre cómo el agujero negro acrecienta materia. Anteriormente se creía que el agujero negro extraía material de las capas externas de la estrella compañera mediante viento concentrado o desbordamiento del lóbulo de Roche, el proceso en un sistema estelar binario en el que una estrella se expande más allá de su límite gravitacional (el lóbulo de Roche) y transfiere masa a su compañera, formando un disco de acreción. A medida que la materia se adentra en espiral, se calienta y emite intensos rayos X.

Sin embargo, a diferencia de las suposiciones previas, los datos indican que el agujero negro actualmente captura solo una pequeña fracción del viento estelar de la estrella. No obstante, la cantidad es suficiente para impulsar su intensa emisión de rayos X. «Los espectros UV no respaldan la idea de que el viento se dirija hacia el agujero negro», afirmó el Dr. Andreas Sander, coautor y líder del grupo de investigación en el que trabaja el Dr. Ramachandran. «Ahora comprendemos que, incluso sin transferencia directa de masa, el sistema puede ser altamente luminoso en rayos X».

El futuro de Cygnus X-1 podría ser aún más dramático. Las simulaciones evolutivas del equipo muestran que la estrella se acerca a un punto crítico: pronto podría comenzar a desbordar su lóbulo de Roche, lo que desencadenaría una fase más intensa de transferencia de masa hacia el agujero negro. «Una vez que comience el desbordamiento del lóbulo de Roche, Cygnus X-1 podría convertirse en una fuente ultraluminosa de rayos X», añadió el Dr. Ramachandran. «Esa fase podría durar miles de años y afectar significativamente el crecimiento del agujero negro». Finalmente, tras el colapso de la estrella compañera, se espera que el sistema forme un par binario de agujeros negros, que podrían fusionarse en unos 5.000 millones de años.

“Este sistema es una pieza clave para comprender los ciclos de vida de las estrellas masivas en sistemas binarios y cómo evolucionan hacia las poderosas fusiones que vemos hoy en la astronomía de ondas gravitacionales”, concluyó el Dr. Sander.

Hallazgos clave de este estudio

• La masa del agujero negro de Cygnus X-1 se redujo a aproximadamente 14 masas solares.
• La estrella compañera HD 226868 contiene entre un 30 % y un 80 % más de hierro, silicio y magnesio que el Sol.
• Actualmente, el sistema no implica transferencia directa de masa; los rayos X se alimentan del viento estelar capturado por el agujero negro.
• El sistema evolucionará hacia un agujero negro binario, que probablemente se fusionará en unos 5000 millones de años y emitirá ondas gravitacionales.

Referencia

• V. Ramachandran et al., “Comprehensive UV and Optical Spectral Analysis of Cygnus X-1: Stellar and Wind Parameters, Abundances, and Evolutionary Implications.” Astronomy & Astrophysics, DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202554184