En el centro de la galaxia, la Vía Láctea, a casi 26, 000 años luz de distancia, un grupo de estrellas circunda cerca del agujero negro supermasivo conocido como Sagitario A *. A medida que estas pocas docenas de estrellas, llamadas estrellas S, se acercan al agujero negro, que es aproximadamente cuatro millones de veces más masivo que el sol, su inmensa fuerza gravitacional los mueve más rápido que 16 millones de millas por hora. De hecho, la atracción gravitacional de Sagitario A * es tan intensa que deforma la luz de estas estrellas cuando se alejan demasiado, estirando las longitudes de onda hacia la parte roja del espectro electromagnético.
Una estrella en particular, S0-2, se acerca tanto a Sagitario A * que los astrónomos han descubierto que es uno de los mejores laboratorios naturales para probar los límites de nuestra teoría fundamental de la gravedad: la relatividad general de Einstein.
Durante más de dos décadas, los astrofísicos han estado siguiendo los movimientos de S0-2 para comprender mejor el funcionamiento de la gravedad y poner a prueba la teoría de Einstein. Al obtener imágenes de la posición de la estrella y medir el espectro de su luz, los investigadores esperan determinar si la órbita de S0-2 alrededor del agujero negro coincide con el camino predicho por la relatividad general. En un estudio publicado hoy en Science, un equipo internacional de astrónomos informa que el comportamiento de la estrella está de acuerdo con la teoría de la gravedad de Einstein, confirmando que la relatividad general aún se mantiene en la región que rodea un agujero negro supermasivo, al menos por ahora.
"Desea probar la teoría en el entorno más extremo posible ... para impulsar la teoría más fuerte de lo que podríamos haber predicho", dice Tuan Do, científico investigador de la UCLA especializado en el centro galáctico y autor principal del estudio. .
Imagen de las órbitas de las estrellas alrededor del agujero negro supermasivo en el centro de nuestra galaxia. Se destaca la órbita de la estrella S0-2. Esta es la primera estrella que tiene suficientes medidas para probar la Relatividad General de Einstein alrededor de un agujero negro supermasivo. (Grupo Keck / Centro Galáctico UCLA) La teoría general de la relatividad de Einstein describe las tres dimensiones del espacio y la única dimensión del tiempo como inherentemente unidas en un "tejido" del espacio-tiempo. Los objetos masivos, como las estrellas y los agujeros negros, deforman esta tela para estirar distancias y reducir el tiempo, arrastrando los objetos circundantes hacia ellos. Percibimos este efecto como la gravedad: una manzana que cae de un árbol. Pero la luz también se ve afectada por las fuerzas gravitacionales, que se doblan a medida que se mueve a través del espacio-tiempo deformado alrededor de un objeto masivo.
Según la relatividad general, los agujeros negros supermasivos como Sagitario A * crean una gran curva en el espacio-tiempo, produciendo un campo gravitacional extremadamente fuerte. Cuando una estrella se mueve cerca de ese agujero negro, los fotones de luz emitida son atraídos hacia el campo, y la luz que escapa y llega a la Tierra debe salir del pozo gravitacional del agujero negro. El resultado es que la luz observada tiene una energía más baja, una frecuencia más baja y una longitud de onda más larga, produciendo un espectro más rojo. Los científicos comparan las predicciones de la relatividad general de este efecto, llamado desplazamiento al rojo gravitacional, con las longitudes de onda medidas de la luz entrante de estrellas como S0-2 para comprobar si la teoría es cierta.
Sin embargo, una serie de factores distintos de la gravedad pueden influir en el desplazamiento al rojo, incluso si un objeto se aleja o se dirige hacia el observador. "El meollo de la pregunta es, básicamente, ¿puedes medir todos estos otros efectos lo suficientemente bien como para decir con confianza que lo que estás viendo es un desplazamiento al rojo gravitacional, y no solo de otra manera que básicamente puedes ajustar la órbita de la estrella ", dice Do.
S0-2 orbita Sagitario A * cada 16 años. En mayo de 2018, alcanzó su punto más cercano al agujero negro, llegando a 120 unidades astronómicas (poco más de 11 mil millones de millas) y viajando a menos del tres por ciento de la velocidad de la luz (alrededor de 18 millones de millas por hora). En este momento, el efecto de desplazamiento al rojo es particularmente notable ya que la atracción gravitacional de Sagitario A * se hace más fuerte cuando la estrella se acerca. En marzo y septiembre del mismo año, la estrella también alcanzó sus puntos de velocidad radial máxima y mínima, respectivamente, lo que significa que se movía más rápido y más lento en relación con un observador en la Tierra. Las señales de desplazamiento al rojo de estos tres eventos son cruciales para mapear la forma de la órbita de la estrella donde los efectos de la gravedad son los más extremos.
“La señal de desplazamiento hacia el rojo es más fuerte en el punto de aproximación más cercana porque está más cerca del agujero negro, pero no es donde es más fácil de medir porque a lo que somos realmente sensibles ... es a los cambios en la velocidad relativa, por lo que quieres atraparla en el lado ascendente y descendente de esta señal ", dice Do.
A medida que la estrella S0-2 se acerca al agujero negro en el centro de nuestra galaxia, su luz se extiende hacia las partes más rojas del espectro electromagnético, un fenómeno predicho por la teoría general de la relatividad de Einstein. (Nicole R. Fuller / Fundación Nacional de Ciencias) Los agujeros negros supermasivos son campos de juego desconcertantes para probar la física porque no encajan perfectamente en las teorías dominantes de hoy. "Los agujeros negros son muy masivos y extremadamente compactos, por lo que es donde la relatividad general y la mecánica cuántica chocan", dice Do. Si bien la mecánica cuántica describe las partículas más pequeñas en nuestro universo, un reino donde la gravedad generalmente puede ignorarse, la relatividad general trata con objetos masivos que tienen inmensos campos gravitacionales. Algunos físicos esperan que estas dos teorías lleguen a un punto crítico en el centro de un agujero negro, donde se cree que una inmensa masa está contenida en un volumen infinitamente pequeño, un punto conocido como singularidad gravitacional.
"Casi todos los intentos de comprender la gravedad en el nivel cuántico, y comprender cómo encaja con otras fuerzas de la naturaleza, parecen sugerir que la relatividad general es incompleta y debe romperse o desviarse de alguna manera, y la gravedad fuerte es donde esto sucedería ", Dice Clifford Johnson, un físico teórico de la Universidad del Sur de California que no participó en el estudio, en un correo electrónico. "El vecindario de los agujeros negros, tanto grandes como pequeños, se está convirtiendo cada vez más en un campo de observación para la gravedad fuerte ... donde tenemos la oportunidad de ver dónde se rompe la relatividad general, [y] si lo hace, posiblemente revelando la física de nuestro universo, y más sobre la naturaleza del espacio y el tiempo ".
El equipo de investigación utilizó una combinación de imágenes de telescopio y espectroscopía para mapear la órbita de S0-2. Dado que la atmósfera alrededor de la Tierra siempre se está moviendo, difuminando nuestra visión del cielo, se basaron en una óptica adaptativa y una técnica llamada moteado para capturar una imagen clara; esencialmente, utilizaron un espejo flexible, deformado miles de veces por segundo por actuadores, y tomé instantáneas del cielo para corregir el desenfoque atmosférico.
“La atmósfera de la Tierra es excelente para los humanos, pero mala para la astronomía. ... Es como mirar una piedra debajo de un río, y estás tratando de medir la posición de la piedra ". Dice. "Básicamente estamos tratando de eliminar el centelleo en las estrellas".
Los láseres de los dos telescopios Keck se propagaron en dirección al centro galáctico. Cada láser crea una estrella artificial que se puede utilizar para corregir el desenfoque debido a la atmósfera de la Tierra. (Ethan Tweedie) Los investigadores rastrearon una órbita para S0-2 y la compararon con las predicciones del modelo de relatividad general y el modelo de física newtoniano más simple. El equipo descubrió que la estrella se movía casi 450 mil millas por hora más rápido de lo que predeciría la gravedad newtoniana, y que el modelo de relatividad general tenía 43 mil veces más probabilidades de explicar sus observaciones.
"La teoría general de la relatividad de Einstein prueba una vez más, dentro de la precisión de las mediciones", dice Nikodem Poplawski, matemático y físico de la Universidad de New Haven que no participó en el nuevo estudio. También señala que los resultados apoyan la existencia de agujeros negros como lo describe la relatividad general. "Además de lo que se observó en abril con la primera imagen de un agujero negro, ahora tenemos más evidencia de que lo que hay dentro de nuestra Vía Láctea es un agujero negro supermasivo".
Un trabajo similar reportado el año pasado también afirmó que la órbita de S0-2 siguió las predicciones de la relatividad general. Sin embargo, estos nuevos resultados agregan evidencia adicional de tres meses adicionales de datos tomados cuando la estrella estaba más cerca de Sagitario A * y la señal de desplazamiento al rojo fue la más fuerte, incluido el tercer evento orbital crucial en septiembre del año pasado.
"La posibilidad de que puedas medir la relatividad general en el centro galáctico ha existido durante una década", dice Do. "Decir que finalmente podemos hacerlo, esto para mí señala el comienzo de una era de pruebas de gravedad aún más alrededor del centro de la galaxia y abre muchas vías para más ciencia alrededor del agujero negro supermasivo". El equipo de investigación continuará rastreando los movimientos de las estrellas S, profundizando en los misterios de los agujeros negros y la física que gobierna nuestro universo.
