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Encuentran indicios relativistas en un agujero negro situado a 26.000 años luz de la Tierra

Detectan pistas de un pequeño cambio en el movimiento de una de las estrellas, que es consistente con las predicciones de la relatividad general


Un equipo de astrónomos ha descubierto indicios relativistas en las órbitas de las estrellas alrededor de un agujero negro supermasivo situado a 26.000 años luz de la Tierra. 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.





Esta ilustración muestra las órbitas de tres de las estrellas que están muy cerca del agujero negro supermasivo del centro de la Vía Láctea. Este primer plano de la órbita de la estrella S2 muestra cómo el camino de la estrella es ligeramente diferente al pasar por la misma zona de su órbita por segunda vez, 15 años después, debido a los efectos de la relatividad general. Crédito: ESO/M. Parsa/L. Calçada
Esta ilustración muestra las órbitas de tres de las estrellas que están muy cerca del agujero negro supermasivo del centro de la Vía Láctea. Este primer plano de la órbita de la estrella S2 muestra cómo el camino de la estrella es ligeramente diferente al pasar por la misma zona de su órbita por segunda vez, 15 años después, debido a los efectos de la relatividad general. Crédito: ESO/M. Parsa/L. Calçada
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 supermasivo 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. 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.

Pequeño cambio

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.

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).

El cambio detectado por los astrónomos, 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. 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.

Si se confirma lo observado en S2, 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.

Un efecto similar, pero mucho más pequeño, se había detectado previamente 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.

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".

Las partes centrales de 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. Crédito: ESO/MPE/S. Gillessen et al.
Las partes centrales de 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. Crédito: ESO/MPE/S. Gillessen et al.
Alta precisión

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. 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.

En ese sentido, la alta precisión 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. El equipo detectó 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.

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".

Período emocionante

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), e instalado en el interferómetro del VLT, 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 una nueva física.

Referencia

Investigating the Relativistic Motion of the Stars near the Black Hole in the Galactic Center, The Astrophysical Journal, Volume 845, Number 1. DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/aa7bf0
 


Martes, 15 de Agosto 2017
ESO/T21
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