Órbitas de estrellas cerca del centro galáctico.

Primera pista de los efectos de la relatividad en estrellas que orbitan agujeros negros supermasivos en el centro de la galaxia.

Esta ilustración muestra las órbitas de tres de las estrellas que están muy cerca del agujero negro supermasivo del centro de la Vía Láctea. Los análisis de los datos del Very Large Telescope de ESO y de otros telescopios sugieren que las órbitas de estas estrellas podrían mostrar los sutiles efectos predichos por la Teoría de la Relatividad General de Einstein. Hay pistas que indican que la órbita de la estrella S2 se desvía ligeramente de la ruta calculada utilizando la física clásica. La posición del agujero negro supermasivo está marcado por un círculo blanco rodeado con un halo azul. Crédito: ESO/M. Parsal/L. Caçada.

Un nuevo análisis de datos del Very Large Telescope de ESO y de otros telescopios sugiere que las órbitas de las estrellas alrededor del agujero negro supermasivo que se encuentra en el centro de la Vía Láctea podrían mostrar los sutiles efectos predichos por la Teoría de la Relatividad General de Einstein. Hay pistas que indican que la órbita de la estrella S2 se desvía ligeramente de la ruta calculada utilizando la física clásica. Este prometedor resultado es un preludio de mediciones y pruebas mucho más precisas de la relatividad que se harán con el instrumento GRAVITY cuando la estrella S2 pase muy cerca del agujero negro en 2018.

En el centro de la Vía Láctea, a 26.000 años luz de la Tierra, se encuentra el agujero negro supermasivomás más cercano, que tiene una masa de cuatro millones de veces la del Sol. Este monstruo está rodeado por un pequeño grupo de estrellas que orbitan a gran velocidad en el fuerte campo gravitatorio del agujero negro. Es un entorno perfecto para probar la física gravitacional y, particularmente, la teoría de la relatividad general de Einstein.

Ahora, un equipo de astrónomos alemanes y checos, ha aplicado nuevas técnicas de análisis a un conjunto de datos ya existentes de las estrellas que orbitan el agujero negro, acumulados en los últimos veinte años utilizando el VLT (Very Large Telescope) de ESO, en Chile, y otros telescopios[1]. Se han comparado las medidas de las órbitas de las estrellas con las predicciones hechas usando gravedad newtoniana clásica, así como predicciones de la relatividad general.

En esta imagen vemos las partes centrales de nuestra galaxia, la Vía Láctea, tal y como se observan en el infrarrojo cercano con el instrumento NACO del Very Large Telescope de ESO. La posición del centro, que alberga el agujero negro (invisible) conocido como Sgr A *, con una masa de 4 millones de veces la del Sol, está marcada con una cruz naranja. La estrella S2 pasará muy cerca del agujero negro en el 2018, y será utilizada como singular sondeo de la fuerte gravedad y como prueba de la teoría de la relatividad general de Einstein. Crédito: ESO/MPE/S. Gillessen et al.

El equipo encontró pistas de un pequeño cambio en el movimiento de una de las estrellas, conocida como S2, que es consistente con las predicciones de la relatividad general [2]. El cambio debido a efectos relativistas supone sólo un pequeño porcentaje en la forma de la órbita, apenas una sexta parte de un grado en la orientación de la órbita [3]. Si esto se confirma, sería la primera vez que se ha logrado una medida de la fuerza de los efectos relativistas generales en estrellas orbitando alrededor de un agujero negro supermasivo.

Marzieh Parsa, estudiante de doctorado en la Universidad de Colonia (Alemania) y autora del artículo científico, está encantada: "El centro galáctico es sin duda el mejor laboratorio para estudiar el movimiento de estrellas en un entorno relativista. Me sorprendió lo bien que podríamos aplicar los métodos que hemos desarrollado con estrellas simuladas a los datos de alta precisión para las estrellas de alta velocidad más internas, cercanas al agujero negro supermasivo".

El VLT de ESO. 

La alta precisión de las mediciones de posición (posible gracias a los instrumentos de óptica adaptativa de infrarrojo cercano del VLT) era esencial para el éxito del estudio [4]. Fue vital, no sólo durante la etapa de mayor acercamiento de las estrellas al agujero negro, sino especialmente durante la época en la que S2 estaba más lejos del agujero negro. Los últimos datos permitieron determinar de manera exacta la forma de la órbita.

"Durante el transcurso de nuestro análisis, nos dimos cuenta de que, para determinar efectos relativistas en S2, definitivamente necesitábamos saber la órbita completa con una precisión muy alta", comenta Andreas Eckart, líder del equipo en la Universidad de Colonia.

Además de información más precisa sobre la órbita de la estrella S2, el nuevo análisis también da la masa del agujero negro y su distancia de la Tierra con un mayor grado de precisión [5]. El coautor Vladimir Karas, de la Academia de Ciencias de Praga (República Checa), está entusiasmado con el futuro: "Esto abre una vía para hacer más teoría y experimentos en este área de la ciencia".

GRAVITY.
El instrumento VLTI de segunda generación para la astrometría de ángulo estrecho de precisión y la imagen interferométrica. GRAVITY es un instrumento de segunda generación en el Very Large Telescope Interferometer (VLTI) y representará un gran paso adelante tanto para la interferometría como para el Very Large Telescope (VLT). GRAVITY es casi un dispositivo todo-en-uno: es un combinador de cuatro haces, casi infrarrojo, óptico adaptativo, asistido por franjas, astrométrico e instrumento de imagen.

Este análisis es un preludio de un período emocionante para las observaciones del centro galáctico por parte de astrónomos de todo el mundo. En 2018 la estrella S2 se acercará mucho al agujero negro supermasivo. Esta vez, el instrumento GRAVITY, desarrollado por un gran consorcio internacional liderado por el Instituto Max-Planck de Física Extraterrestre (en Garching, Alemania) [6], e instalado en el interferómetro del VLT [7], estará disponible para ayudar a medir la órbita con mucha más precisión de la que se alcanza actualmente. No sólo se espera que GRAVITY, que ya está realizando mediciones de alta precisión del centro galáctico, revele con claridad los efectos relativistas generales, sino que también los astrónomos puedan también buscar desviaciones de la relatividad general que podrían revelar nueva física.

Notas

[1] Para este estudio se usaron datos de la cámara de infrarrojo cercano NACO, instalada en la Unidad de Telescopio 1 (Antu) del VLT, y del espectrómetro de imágenes de infrarrojo cercano SINFONI, en la Unidad de Telescopio 4 (Yepun). También se utilizaron algunos datos adicionales obtenidos en el Observatorio Keck.

[2] S2 es una estrella de 15 masas solares con una órbita elíptica alrededor del agujero negro supermasivo. Tiene un período de aproximadamente 15,6 años y se acerca a tan solo 17 horas luz del agujero negro (solo 120 veces la distancia entre el Sol y la Tierra).

[3] Se ha detectado un efecto similar, pero mucho más pequeño, en la órbita cambiante del planeta Mercurio del Sistema Solar. Esta medida fue una de las mejores evidencias tempranas, a finales del siglo XIX, que sugería que la visión de Newton de la gravedad no estaba completa y que se necesitaba un nuevo enfoque y nuevas perspectivas para entender la gravedad en el caso de campos fuertes. Esto condujo, en última instancia, a la publicación en 1915 de la Teoría de la Relatividad General de Einstein, basada en la curvatura del espacio-tiempo. Cuando se calculan las órbitas de estrellas o planetas usando la relatividad general en lugar de gravedad newtoniana, evolucionan de formas diferentes. Las predicciones de los pequeños cambios con el paso del tiempo en la forma y orientación de las órbitas son diferentes en las dos teorías y pueden compararse con mediciones para comprobar la validez de la relatividad general.

[4] Un sistema de óptica adaptativa compensa, en tiempo real, las distorsiones producidas en la imagen por las turbulencias de la atmósfera y permite que el telescopio se utilice con una gran resolución angular (nitidez de la imagen), en principio limitada por el diámetro del espejo y la longitud de onda de la luz utilizada para las observaciones.

[5] El equipo detecta una masa del agujero negro de 4,2×106 veces la masa del Sol y una distancia de nosotros de 8,2 kilopársecs, correspondiente a casi 27.000 años luz.

[6] La Universidad de Colonia forma parte del equipo de GRAVITY http://www.mpe.mpg.de/ir/gravity y contribuyó aportando al sistema los espectrómetros de combinación de haces.

[7] La primera luz de GRAVITY tuvo lugar a principios de 2016 y ya está observando el centro galáctico.

Más información.

Este trabajo de investigación se presenta en el artículo científico titulado “Investigating the Relativistic Motion of the Stars near the Black Hole in the Galactic Center”, por M. Parsa et al., publicado en la revistaAstrophysical Journal. Artículo científico.

Equipo de trabajo.

El equipo está formado por Marsieh Parsa, Andreas Eckart (I. Instituto de Física de la Universidad de Colonia, Alemania; Instituto Max Planck de Radioastronomía, Bonn, Alemania); Banafsheh Shahzamanian (I. Instituto de Física de la Universidad de Colonia, Alemania); Christian Straubmeier (I. Instituto de Física de la Universidad de Colonia, Alemania); Vladimir Karas (Instituto de Astronomía, Academia de Ciencias, Praga, República Checa); Michal Zajacek (Instituto Max Planck de Radioastronomía, Bonn, Alemania; I. Instituto de Física de la Universidad de Colonia, Alemania); y J. Anton Zensus (Instituto Max Planck de Radioastronomía, Bonn, Alemania).

ESO.

50 años de ESO.

ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Cuenta con el respaldo de dieciséis países: Alemania, Austria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con el país anfitrión, Chile. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones de observación únicas en el mundo: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo, y dos telescopios de rastreo. VISTA (siglas en inglés de Telescopio de Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía) trabaja en el infrarrojo y es el telescopio de rastreo más grande del mundo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT) es el telescopio más grande diseñado exclusivamente para rastrear el cielo en luz visible. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, actualmente el mayor proyecto astronómico en funcionamiento del mundo. Además, cerca de Paranal, en Cerro Armazones, ESO está construyendo el ELT (Extremely Large Telescope), el telescopio óptico y de infrarrojo cercano de 39 metros que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.

Publicado en ESO el 9 de agosto del 2.017.