Estudian un curioso sistema formado por una estrella y un agujero negro y predicen cómo terminará su evolución

V404 Cygni es un sistema binario formado por una estrella gigante y un agujero negro que ha sufrido varios episodios de enorme y súbito aumento de brillo en los últimos noventa años (1938, 1985 y 2015), lo que lo volvió objeto de numerosos estudios destinados a conocer sus singulares características. Estos trabajos han permitido determinar su composición, la temperatura de la estrella, la separación de esta con relación al agujero negro, alrededor del cual gira en apenas 6 días y medio, y la distancia del sistema respecto de nuestro Sistema Solar: 8 mil años luz. Gracias a esa precisa información, un equipo de investigación del CONICET La Plata logró desarrollar un modelo computacional que permitió reconstruir con exactitud la evolución de V404 Cygni desde su formación hasta la actualidad y, además, predecir cómo terminará su vida. El aporte de los y las expertos/as platenses se publicó recientemente en la prestigiosa revista científica Astronomy & Astrophysics.

El estudio es la continuación de la tesis de licenciatura de Leandro Bartolomeo Koninckx, becario del CONICET en el Instituto de Astrofísica de La Plata (IALP, CONICET-UNLP), dirigida por María Alejandra De Vito y Omar Gustavo Benvenuto, investigadora e investigador del CONICET y la Comisión de Investigaciones Científicas de la Provincia de Buenos Aires (CICPBA), respectivamente. “Elegimos este sistema binario precisamente porque había sido muy estudiado y muchos de sus parámetros estaban muy bien definidos. Tiene la singularidad de estar compuesto por una estrella gigante roja y un agujero negro que están tan cerca entre sí que el agujero negro está tomando material de la estrella, en un proceso que se conoce como de transferencia de masa, y lo va acretando, es decir incorporando”, explica Bartolomeo Koninckx. Precisamente, esa transferencia de masa fue la que permitió detectar de manera observacional este sistema, ya que si bien se encuentra en una zona muy oscura de la galaxia, durante la cesión de material en su superficie se producen eventos muy inestables y explosivos que generan un aumento repentino de la luz que emite en el rango de los rayos X.

Con todos los parámetros conocidos sobre el sistema, el equipo se propuso desarrollar un modelo teórico que permitiera, en principio, conocer la configuración inicial y reproducir con exactitud cómo había sido la evolución de la gigante roja en V404 Cygni hasta verse tal cual se encuentra actualmente y, a partir de eso, postular de qué manera terminará su vida. “En una primera etapa, fuimos variando los parámetros iniciales, es decir las masas de los componentes, la órbita entre ambos y la cantidad de masa que cae sobre el agujero negro, y los hicimos evolucionar mediante un código desarrollado por mis directores. A partir de eso, presentamos 132 modelos para evaluar cuál de todos ellos se acercaba más a las características actuales de este objeto. El modelo que más se ajusta nos dice que en sus orígenes estaba conformado por la estrella, que se encontraba en su secuencia principal, lo que vendría a ser el inicio de su vida, con 1,5 masas solares, y el agujero negro ya formado, con 9 veces la masa del Sol”, cuenta Bartolomeo Koninckx.

De los 132 modelos postulados, 82 le atribuían al sistema una metalicidad, es decir la composición de elementos pesados, similar a la del Sol, y el resto partía de la idea de que presentaba una metalicidad doble con relación a la solar. “La metalicidad es el segundo factor más importante en la evolución de una estrella. Primero, consideramos una metalicidad solar, basándonos en trabajos similares sobre el mismo objeto, pero como encontramos referencias a que tenía una metalicidad del doble que la solar, entonces hicimos más modelos con ella. Con todo esto, lo que tratábamos de ver era cuál de los modelos reproducía fielmente las características actuales del sistema”.

Una vez hallado el modelo que mejor se ajustaba, los expertos y la experta del IALP pudieron determinar la evolución completa de este sistema. El primer dato relevante es que la transferencia de masa de la estrella hacia el agujero negro sucede de forma muy temprana, antes de que la estrella salga de su secuencia principal. Otro aporte destacado es que lograron observar que el agujero negro desperdicia gran parte del material que la estrella le está donando: solo acreta un 30 por ciento o menos, el resto se pierde en el sistema. Este dato ya se sabía, pero pudo ser obtenido nuevamente gracias al modelo. “Esto es algo que se repite en otros sistemas binarios de rayos X, como se conoce a los conformados por una dupla de estrella-agujero negro, de los que en la actualidad se tiene evidencia de la existencia de varias decenas”, comenta el becario.

El aporte novedoso del equipo platense consiste en haber podido estudiar la evolución completa de la estrella del sistema, confirmar su estado actual, y determinar las características que va a tener en el futuro. “Lo primero que va a ocurrir, según nuestro modelo, es que cuando la estrella salga de la etapa de gigante roja en la que se encuentra va a dejar de perder masa”, destaca el profesional, y amplía: “Luego, sufrirá un flash termonuclear en el que el hidrógeno de alguna de sus capas se va a encender de forma explosiva. A raíz de eso, la estrella se agrandará y perderá algo de masa para luego volver a achicarse, en lo que sería un segundo evento de pérdida de masa. Al final, el único escenario posible para esta estrella es que se va a transformar en una enana blanca de helio, porque según nuestras proyecciones nunca va a aumentar la temperatura de su núcleo como para activar las reacciones termonucleares que corresponden a la quema de helio en su interior”.

Otra contribución importante del grupo platense fue la de postular un valor teórico, compatible con trabajos anteriores, para el cambio del período orbital del sistema. Además, analizaron el espín del agujero negro, un parámetro que da cuenta de cuán rápido está rotando ese objeto: “Esta cantidad resulta una de las fundamentales para describir el comportamiento de un agujero negro, por lo que es muy importante conocerla. Nosotros analizamos cómo evoluciona este parámetro a través del tiempo, y concluimos que bajo ningún régimen puede obtenerse un valor tan alto como el observado. Este ‘fallo’ sigue siendo un resultado relevante porque puede deberse a que asumimos que el agujero negro no estaba rotando inicialmente, como es esperable para este tipo de objetos, o a la falta de confianza en ese valor dado. Se trata de un parámetro difícil de medir y que suele dar resultados diferentes según los métodos utilizados”, concluye.