Descoberta una població de forats negres de grans dimensions al cúmul estel·lar Palomar 5
Palomar 5 és un cúmul estel·lar únic. Això és degut, en primer lloc, perquè és un dels «més esponjosos» de lʼhalo de la Via Làctia, amb una distància mitjana dʼuns quants anys llum entre les estrelles, comparable a la distància del Sol a lʼestrella més propera. En segon lloc, perquè té associat un corrent estel·lar especular que cobreix més de 20 graus al cel. En un article publicat a Nature Astronomy, un equip internacional dʼastrònoms i astrofísics liderat per la Universitat de Barcelona demostra que les dues característiques distintives de Palomar 5 són probablement el resultat dʼuna població de més de cent forats negres al centre del cúmul.
Palomar 5 és un cúmul estel·lar únic. Això és degut, en primer lloc, perquè és un dels «més esponjosos» de lʼhalo de la Via Làctia, amb una distància mitjana dʼuns quants anys llum entre les estrelles, comparable a la distància del Sol a lʼestrella més propera. En segon lloc, perquè té associat un corrent estel·lar especular que cobreix més de 20 graus al cel. En un article publicat a Nature Astronomy, un equip internacional dʼastrònoms i astrofísics liderat per la Universitat de Barcelona demostra que les dues característiques distintives de Palomar 5 són probablement el resultat dʼuna població de més de cent forats negres al centre del cúmul.
«El nombre de forats negres és aproximadament tres vegades més gran del que sʼesperaria pel nombre dʼestrelles del cúmul, fet que significa que més del 20 % de la massa total del cúmul està formada per forats negres», explica Mark Gieles, professor de lʼInstitut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i autor principal del treball. «Cadascun té una massa que fa vint vegades la massa del Sol —detalla lʼexpert—, i es van formar en explosions de supernoves al final de la vida de les estrelles massives, quan el cúmul encara era molt jove».
Els corrents de marea són associacions dʼestrelles que van ser expulsades de cúmuls estel·lars o galàxies nanes. Durant aquests darrers anys, sʼhan descobert prop de trenta corrents estel·lars estrets a lʼhalo de la Via Làctia. «No sabem com es formen aquests corrents, però una idea és que són cúmuls estel·lars que han patit alguna pertorbació», explica Gieles. Tanmateix, cap dels corrents descoberts recentment té un cúmul estel·lar associat, de manera que els investigadors no poden estar segurs dʼaquesta teoria. Per entendre com es van formar aquests corrents, cal estudiar-ne un amb un sistema estel·lar associat: «Palomar 5 és lʼúnic cas, i això el converteix en una mena de Rosetta Stone, que permetrà entendre la formació dels corrents estel·lars», assenyala Gieles. «Per això lʼhem estudiat amb detall», aclareix.
En aquest estudi, els autors van simular les òrbites i lʼevolució de cada estrella des de la formació del cúmul fins a la dissolució final. En van variar les propietats inicials fins que van trobar que les observacions del corrent i del cúmul coincidien. Lʼequip dʼastrònoms creu que Palomar 5 es va formar a partir dʼuna fracció de forat negre més petit, però les estrelles van poder escapar de manera més eficient que els forats negres, de manera que la fracció del forat negre va augmentar gradualment.
Els forats negres van inflar dinàmicament el cúmul mitjançant interaccions dʼassistència gravitacional amb les estrelles, que van provocar que sʼescapessin més estrelles i es formés el corrent. Just abans que es dissolgui completament —aproximadament dʼaquí a uns mil milions dʼanys—, el cúmul estarà format completament per forats negres. «Aquest treball ens ha ajudat a entendre que, tot i que el cúmul Palomar 5 té les cues més lluminoses i llargues que cap altre cúmul de la Via Làctia, no és únic. En lloc dʼaixò, creiem que molts cúmuls dominats pel forat negre de forma similar ja sʼhan desintegrat en les marees de la Via Làctia per formar els primers corrents estel·lars recentment descoberts», afirma Denis Erkal, coautor de lʼestudi, investigador de la Universitat de Surrey (Regne Unit).
Gieles assenyala que lʼestudi demostra «que la presència dʼuna gran població de forats negres pot haver estat comuna en tots els grups que formaven els corrents». Això és important per entendre la formació de cúmuls globulars, de masses inicials dʼestrelles i lʼevolució de les estrelles massives. Aquest treball també té importants implicacions per a les ones gravitacionals. «Es creu que una gran part de les fusions de forats negres binaris es formen en cúmuls estel·lars. Una gran incògnita en aquest escenari és la quantitat de forats negres que hi ha als cúmuls, cosa que és difícil de delimitar observacionalment perquè no podem observar els forats negres», afirma Fabio Antonini, professor de la Universitat de Cardiff (Gal·les, Regne Unit), i també coautor del treball. «El nostre mètode proporciona una manera de saber quants forats negres hi ha en un cúmul estel·lar mirant les estrelles que en són expulsades», destaca.
Palomar 5 és un cúmul globular descobert el 1950 per Walter Baade. Es troba a la constel·lació del Serpent, a una distància dʼuns 65.000 anys llum, i és un dels aproximadament 150 cúmuls globulars que orbiten al voltant de la Via Làctia. Té més de deu mil milions dʼanys, com la majoria dʼaltres cúmuls globulars, cosa que significa que es va formar en les primeres fases de formació de galàxies. És aproximadament deu vegades menys massiu i cinc vegades més extens que un cúmul globular típic i en les etapes finals de dissolució.
Simulació que mostra la formació dels corrents de marea del cúmul estel·lar Palomar 5 i la distribució dels forats negres. En groc es veuen les estrelles i, en negre, els forats negres. Més del 20% de la massa de Palomar 5 està formada per forats negres.
Article de referència:
M. Gieles et al. «A supra-massive population of stellar-massblack holes in the globular cluster Palomar 5». Nature Astronomy, 5 de juliol de 2021. DOI: 10.1038/s41550-021-01392-2