Una estrella conocida como S0-2 (el objeto azul y verde en la representación de este artista) se acerca al agujero negro supermasivo situado en el centro de la Vía Láctea en 2018. Representación artística de Nicolle Fuller / National Science Foundation.
A 26.000 años luz de la Tierra, en las regiones centrales de la Vía Láctea, se halla Sagitario A*, un agujero negro supermasivo con una masa equivalente a unos cuatro millones de soles.
Los agujeros negros son objetos tan compactos que ni siquiera la luz puede escapar de su influencia gravitatoria, y fue el estudio detallado de las órbitas de las estrellas cercanas lo que permitió conocer su masa.
Ahora, una de esas estrellas, conocida como S02, ha permitido estudiar en detalle la gravedad en entornos extremos y confirmar la validez de la teoría de la relatividad de Einstein. Los resultados de esta investigación se publican en la revista Science.
Continuo espacio-tiempo
Einstein, en su Teoría de la Relatividad, demostró que el tiempo y el espacio, que siempre se habían considerado entidades diferenciadas, formaban en realidad una entidad única: el espacio-tiempo.
El espacio-tiempo es el escenario en el que se desarrollan todos los eventos físicos del universo, y se trata de un tejido maleable, que se curva en presencia de materia.
Esta curvatura es la causante de los efectos gravitatorios que rigen el movimiento de los cuerpos (tanto el de los planetas alrededor del Sol como el de los cúmulos de galaxias), y los agujeros negros supermasivos constituyen un entorno idóneo para verificar este efecto.
“Nuestras observaciones son consistentes con la teoría de la relatividad –apunta Andrea Ghez, investigadora de la Universidad de California (UCLA) que encabeza el trabajo-. Sin embargo, la relatividad no puede explicar completamente la gravedad dentro de un agujero negro, y en algún momento tendremos que ir más allá de Einstein, a una teoría de la gravedad más completa que explique estos entornos extremos", añade.
Desplazamiento al rojo gravitacional
Los resultados del nuevo estudio han sido posibles gracias a la estrella S02, que dibuja una elipse muy pronunciada en torno a Sagitario A* y que, en el punto de máximo acercamiento, se sitúa a unas tres veces la distancia que existe entre el Sol y Plutón.
A esa distancia, y debido a la enorme fuerza de gravedad del agujero negro, la relatividad predice que los fotones (partículas de luz) deberían sufrir una pérdida de energía, lo que se conoce como desplazamiento al rojo gravitacional, también conocido como efecto Einstein.
Y este fenómeno es, precisamente, lo que ha medido el equipo científico, confirmando un resultado publicado en 2018. Los investigadores dicen que su trabajo es el estudio más detallado que se haya realizado jamás del agujero negro supermasivo y la teoría general de la relatividad de Einstein.
“Este tipo de experimentos está sujeto a un gran número de posibles errores, y desafortunadamente el equipo que difundió el resultado anterior no publicó todos los datos, algo que debería ser estándar hoy día –señala Rainer Schödel, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) que participa en el trabajo-. Con este trabajo aportamos una comprobación independiente de un experimento extremadamente difícil, muy necesario en este caso, y aportamos todos los datos y los análisis estadísticos”.
Los agujeros negros son objetos tan compactos que ni siquiera la luz puede escapar de su influencia gravitatoria, y fue el estudio detallado de las órbitas de las estrellas cercanas lo que permitió conocer su masa.
Ahora, una de esas estrellas, conocida como S02, ha permitido estudiar en detalle la gravedad en entornos extremos y confirmar la validez de la teoría de la relatividad de Einstein. Los resultados de esta investigación se publican en la revista Science.
Continuo espacio-tiempo
Einstein, en su Teoría de la Relatividad, demostró que el tiempo y el espacio, que siempre se habían considerado entidades diferenciadas, formaban en realidad una entidad única: el espacio-tiempo.
El espacio-tiempo es el escenario en el que se desarrollan todos los eventos físicos del universo, y se trata de un tejido maleable, que se curva en presencia de materia.
Esta curvatura es la causante de los efectos gravitatorios que rigen el movimiento de los cuerpos (tanto el de los planetas alrededor del Sol como el de los cúmulos de galaxias), y los agujeros negros supermasivos constituyen un entorno idóneo para verificar este efecto.
“Nuestras observaciones son consistentes con la teoría de la relatividad –apunta Andrea Ghez, investigadora de la Universidad de California (UCLA) que encabeza el trabajo-. Sin embargo, la relatividad no puede explicar completamente la gravedad dentro de un agujero negro, y en algún momento tendremos que ir más allá de Einstein, a una teoría de la gravedad más completa que explique estos entornos extremos", añade.
Desplazamiento al rojo gravitacional
Los resultados del nuevo estudio han sido posibles gracias a la estrella S02, que dibuja una elipse muy pronunciada en torno a Sagitario A* y que, en el punto de máximo acercamiento, se sitúa a unas tres veces la distancia que existe entre el Sol y Plutón.
A esa distancia, y debido a la enorme fuerza de gravedad del agujero negro, la relatividad predice que los fotones (partículas de luz) deberían sufrir una pérdida de energía, lo que se conoce como desplazamiento al rojo gravitacional, también conocido como efecto Einstein.
Y este fenómeno es, precisamente, lo que ha medido el equipo científico, confirmando un resultado publicado en 2018. Los investigadores dicen que su trabajo es el estudio más detallado que se haya realizado jamás del agujero negro supermasivo y la teoría general de la relatividad de Einstein.
“Este tipo de experimentos está sujeto a un gran número de posibles errores, y desafortunadamente el equipo que difundió el resultado anterior no publicó todos los datos, algo que debería ser estándar hoy día –señala Rainer Schödel, investigador del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) que participa en el trabajo-. Con este trabajo aportamos una comprobación independiente de un experimento extremadamente difícil, muy necesario en este caso, y aportamos todos los datos y los análisis estadísticos”.
Precisión sin precedentes
Los científicos hicieron un seguimiento de la estrella S0-2 en 2018, cuando se acercó a Sgr A * lo más cerca posible durante sus 16 años en órbita.
Usando el Observatorio Keck, el Observatorio Gemini y el Telescopio Subaru en Hawai, los astrónomos pudieron seguir en 3D toda la órbita de S0-2. Luego combinaron estos datos con las mediciones realizadas en los últimos 24 años.
Este seguimiento reveló el movimiento de la estrella a un nivel de precisión que no se había alcanzado anteriormente y permitió obtener la órbita completa de la estrella en tres dimensiones y, a su vez, comprobar la validez de la relatividad general.
"Lo que es tan especial acerca de S0-2 es que tenemos su órbita completa en tres dimensiones", explica Ghez en un comunicado de la UCLA.
Einstein sí, pero…
“Eso es lo que nos da acceso a las pruebas de relatividad general. Preguntamos cómo se comporta la gravedad cerca de un agujero negro supermasivo y si la teoría de Einstein nos está contando la historia completa. Ver a las estrellas atravesar su órbita completa brinda la primera oportunidad de probar la física fundamental utilizando los movimientos de estas estrellas", añade.
Y prosigue: "Einstein tiene razón, al menos por ahora. Sin embargo, su teoría no puede explicar por completo la gravedad dentro de un agujero negro, y en algún momento tendremos que ir más allá de la teoría de Einstein a una teoría más completa de la gravedad que explique qué es un agujero negro", concluye Ghez.
Los científicos hicieron un seguimiento de la estrella S0-2 en 2018, cuando se acercó a Sgr A * lo más cerca posible durante sus 16 años en órbita.
Usando el Observatorio Keck, el Observatorio Gemini y el Telescopio Subaru en Hawai, los astrónomos pudieron seguir en 3D toda la órbita de S0-2. Luego combinaron estos datos con las mediciones realizadas en los últimos 24 años.
Este seguimiento reveló el movimiento de la estrella a un nivel de precisión que no se había alcanzado anteriormente y permitió obtener la órbita completa de la estrella en tres dimensiones y, a su vez, comprobar la validez de la relatividad general.
"Lo que es tan especial acerca de S0-2 es que tenemos su órbita completa en tres dimensiones", explica Ghez en un comunicado de la UCLA.
Einstein sí, pero…
“Eso es lo que nos da acceso a las pruebas de relatividad general. Preguntamos cómo se comporta la gravedad cerca de un agujero negro supermasivo y si la teoría de Einstein nos está contando la historia completa. Ver a las estrellas atravesar su órbita completa brinda la primera oportunidad de probar la física fundamental utilizando los movimientos de estas estrellas", añade.
Y prosigue: "Einstein tiene razón, al menos por ahora. Sin embargo, su teoría no puede explicar por completo la gravedad dentro de un agujero negro, y en algún momento tendremos que ir más allá de la teoría de Einstein a una teoría más completa de la gravedad que explique qué es un agujero negro", concluye Ghez.
Referencia
Relativistic redshift of the star S0-2 orbiting the Galactic center supermassive black hole. Tuan Do et al. Science, 16 Aug 2019:eaav8137. DOI: 10.1126/science.aav8137
Relativistic redshift of the star S0-2 orbiting the Galactic center supermassive black hole. Tuan Do et al. Science, 16 Aug 2019:eaav8137. DOI: 10.1126/science.aav8137