El agujero negro supermasivo más cercano a la Tierra, oscurecido por espesas nubes de absorbente polvo, se encuentra a 26.000 años luz de distancia, en el centro de la Vía Láctea. Este monstruo gravitatorio, con una masa cuatro millones de veces la del Sol, está rodeado por un pequeño grupo de estrellas orbitando a su alrededor a gran velocidad. Este ambiente extremo (el campo gravitatorio más potente de nuestra galaxia), es el lugar perfecto para explorar la física de la gravedad y, en concreto, para probar la teoría de la relatividad general de Einstein.
Nuevas observaciones infrarrojas llevadas a cabo con los instrumentos GRAVITY [1], SINFONI y NACO, extremadamente sensibles e instalados en VLT (Very Large Telescope) de ESO, han permitido a los astrónomos seguir a una de estas estrellas, llamada S2, a medida que pasaba muy cerca del agujero negro durante mayo de 2018. En el punto más cercano esta estrella estaba a una distancia de menos de 20.000 millones de kilómetros del agujero negro y se movía a una velocidad superior a 25 millones de kilómetros por hora, casi un tres por ciento de la velocidad de la luz [2].
El equipo comparó las medidas de posición y velocidad de GRAVITY y SINFONI respectivamente, junto con observaciones anteriores de S2 con otros instrumentos, con las predicciones de la gravedad newtoniana, la relatividad general y otras teorías de la gravedad. Los resultados no concuerdan con las predicciones newtonianas y encajan perfectamente con las predicciones de la relatividad general.
Estas medidas extremadamente precisas fueron hechas por un equipo internacional liderado por Reinhard Genzel, del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE) en Garching (Alemania), junto con colaboradores de otras partes del mundo (el Observatorio de París–PSL, la Universidad Grenoble Alpes, el CNRS, el Instituto Max Planck de Astronomía, la Universidad de Colonia, la institución portuguesa CENTRA – Centro de Astrofísica y Gravitación y ESO). Las observaciones son la culminación de una serie observaciones del centro de la Vía Láctea, las más precisas hechas nunca, y llevadas a cabo a lo largo de 26 años con instrumentos de ESO [3].
"Es la segunda vez que hemos observado el paso cercano de S2 alrededor del agujero negro en nuestro centro galáctico. Pero, esta vez, debido a que contamos con mejor instrumentación, pudimos observar la estrella con una resolución sin precedentes”, explica Genzel. "Nos hemos estado preparando intensamente para este evento durante varios años, ya que queríamos aprovechar al máximo esta oportunidad única de observar los efectos relativistas generales".
Las nuevas medidas revelan claramente un efecto llamado desplazamiento al rojo gravitacional. La luz de la estrella se desplaza a longitudes de onda más largas por el fuerte campo gravitatorio del agujero negro. Y el cambio en la longitud de onda de la luz de S2 coincide precisamente con la predicha por la teoría de la relatividad general de Einstein. Es la primera vez que esta desviación de las predicciones de la teoría newtoniana de la gravedad, más simple, se ha observado en el movimiento de una estrella alrededor de un agujero negro supermasivo.
El equipo utilizó SINFONI para medir la velocidad de S2 acercándose y alejándose de la Tierra, y el instrumento GRAVITY, instalado en el VLTI (el Interferómetro del VLT) para hacer medidas extraordinariamente precisas de la posición cambiante de S2 con el fin de definir la forma de su órbita. GRAVITY crea imágenes tan precisas que puede revelar el movimiento de la estrella de noche a noche a medida que se acerca al agujero negro (a 26.000 años luz de la Tierra).
"Nuestras primeras observaciones de S2 con GRAVITY, hace unos dos años, ya demostraron que tenemos el agujero negro ideal para usarlo como laboratorio", agrega Frank Eisenhauer (MPE), Investigador Principal de GRAVITY y del espectrógrafo SINFONI. "Durante el acercamiento, podíamos incluso detectar el débil resplandor alrededor del agujero negro en la mayoría de las imágenes, lo que nos permitió seguir a la estrella en su órbita con mucha precisión: esto, en última instancia, nos llevó a la detección del desplazamiento al rojo gravitacional en el espectro de S2".
Más de cien años después de publicar su artículo en el que se establecían las ecuaciones de la relatividad general, Einstein ha demostrado estar en lo cierto una vez más, y esta vez, ¡en un laboratorio mucho más extremo que el que posiblemente podría haber imaginado!
Françoise Delplancke, jefa del Departamento de Ingeniería de Sistemas en ESO, explica el significado de las observaciones: "Aquí, en el Sistema Solar, sólo podemos probar las leyes de la física ahora y bajo ciertas circunstancias. Por lo tanto, en astronomía, es muy importante comprobar que estas leyes también son válidas allí donde los campos gravitatorios son mucho más fuertes".
Se siguen realizando observaciones y se espera que estas confirmen muy pronto otro efecto relativista — una pequeña rotación de la órbita de la estrella conocida como precesión de Schwarzschild — a medida S2 se aleja del agujero negro.
Xavier Barcons, Director General de ESO, concluye: "ESO ha trabajado con Reinhard Genzel y su equipo de colaboradores en los estados miembros de ESO durante más de un cuarto de siglo. Fue un gran desafío desarrollar instrumentos únicos, capaces de realizar estas delicadas y precisas medidas, e instalarlos en el VLT en Paranal. El descubrimiento anunciado hoy es el apasionante resultado de una importante colaboración".
Notas
[1] GRAVITY fue desarrollado por una colaboración formada por el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (Alemania), LESIA del Observatorio de París– PSL/CNRS/Universidad de la Sorbona/Universidad París Diderot e IPAG de la Universidad Grenoble Alpes/CNRS (Francia), el Instituto Max Planck de Astronomía (Alemania), la Universidad de Colonia (Alemania), la institución portuguesa CENTRA – Centro de Astrofísica y Gravitación (Portugal) y ESO.
[2] S2 orbita el agujero negro cada 16 años en una órbita altamente excéntrica que la lleva a su interior unos 20.000 millones de kilómetros —120 veces la distancia de la Tierra al Sol (unas cuatro veces la distancia entre el Sol y Neptuno)—, en su aproximación más cercana al agujero negro. Esta distancia corresponde a unas 1500 veces el radio de Schwarzschild del propio agujero negro.
[3] Las observaciones del centro de la Vía Láctea deben realizarse en las longitudes de onda más largas (en este caso infrarrojas) ya que las nubes de polvo entre la Tierra y la región central absorben la luz visible.https://www.eso.org/public/spain/news/eso1825/?lang
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