Un agujero negro supermasivo vuelve a reivindicar a Einstein

¿Qué sucede cuando una estrella tiene un encuentro cercano con un agujero negro supermasivo? Les brinda a los astrónomos la posibilidad de poner a Einstein a prueba. 

Al observar el comportamiento de una estrella al batirse alrededor de un agujero negro estacionado en el centro de nuestra galaxia, los científicos han confirmado que el intenso campo gravitatorio del objeto pone un freno a la luz de las estrellas, lo que causa una evidente demora en su viaje por el cosmos. Esta medición es el mejor modo de poner a prueba una de las predicciones claves de la teoría general de la relatividad de Einstein, que sugiere que la luz pierde su energía a medida que lucha por desplazarse a través de un campo gravitatorio extremo. 

“Este tipo de experimento es la primera prueba directa sobre cómo funciona la gravedad cerca de un agujero negro supermasivo”, señala Andrea Ghez, astrónoma de la Universidad de California en Los Ángeles, cuyo equipo ha informado, en el día de la fecha, los resultados en la revista Science. “La gravedad es algo muy importante en lo que respecta a comprender tanto el universo como nuestra vida cotidiana”. 

Los astrónomos ansían algún día poder encontrar evidencia de que la relatividad general no funciona en entornos gravitacionales extremos, ya que eso abriría una ventana hacia la posibilidad de nuevos tipos de física que podrían resolver algunos de los grandes misterios relacionados con lo que sabemos sobre el universo. 

Por el momento, sin embargo, parecería que Einstein vuelve a tener razón, y que otras teorías de la gravedad, incluyendo la de Isaac Newton, quedan fuera de juego.

Conjunto masivo de datos

Según describe la relatividad general, lo que percibimos como gravedad es el resultado de la masa de un objeto curvándose en el entramado del espacio-tiempo. La teoría también establece que la gravedad afecta incluso a la luz, y que los objetos muy grandes deformarán cualquier haz de luz que se mueva alrededor de ellos. Es bien sabido que este efecto pudo observarse durante el eclipse solar de 1919, que convirtió a la teoría general de la relatividad en un pilar de la ciencia. 

Es por esto que los astrónomos están tan entusiasmados por el grupo de estrellas que orbitan alrededor del agujero negro supermasivo del centro de nuestra galaxia, Sagitario A* (abreviado, SgrA*), un monstruo cuya masa tiene el mismo tamaño que cuatro millones de soles. Está a alrededor de 26.000 años luz de la Tierra y se esconde detrás de una cortina de gas y polvo.

La estrella de este show se llama S2, y circula a toda velocidad alrededor de la Vía Láctea del agujero negro supermasivo, completando una órbita ovalada en tan solo 16 años. Cuando más se acerca a SgrA*, la estrella chilla a través del espacio a aproximadamente 25 millones de kilómetros por hora, o a casi el 3 por ciento de la velocidad de la luz.

“Estas cosas están cambiando durante la vida de un ser humano”, afirma Ghez. “Las constelaciones que vemos son las mismas que han estado allí durante toda la historia de la humanidad. Pero en el centro de la galaxia, dado que se trata de un campo gravitatorio tan intenso, las estrellas se están moviendo realmente”.

Debido a que su órbita es ovalada, S2 a veces se encuentra muy cerca del agujero negro del centro de la galaxia y otras, bastante lejos. Ghez y sus colegas querían estudiar a S2 en su punto más cercano a Sagitario A*, lo que sucedió por última vez en mayo del año pasado. Es por esto que, entre marzo y septiembre, el equipo tomó mediciones precisas de la estrella moviéndose por el espacio utilizando un juego de telescopios en Chile y sobre el volcán Mauna Kea en Hawái.  

“Realmente necesitas saber, inequívocamente, la forma de la órbita”, indica Ghez. “En su punto más cercano, cuando la estrella siente el campo gravitatorio más intenso, allí es donde puedes poner a prueba la teoría general de la relatividad de Einstein”. 

Los científicos agregaron esos nuevos datos al tesoro de observaciones recopiladas desde 1995. En conjunto, la información les permitió calcular la órbita entera de S2 en tres dimensiones.

Desplazamiento al rojo gravitatorio

A fin de probar la relatividad general, el equipo combinó mediciones de la posición de la estrella en el espacio con observaciones de su movimiento a lo largo del campo visual de la Tierra para medir el efecto llamado desplazamiento al rojo gravitatorio

Para hacerlo más claro, cuando S2 está más cerca de SgrA*, el agujero negro actúa como un bache de velocidad, reduciendo la velocidad de la luz de la estrella a medida que se escapa hacia el cosmos. El efecto aparece como un estiramiento de la luz de S2 hacia longitudes de onda menos energéticas y más rojas. 

“Básicamente, el desplazamiento al rojo gravitatorio está codificado en la espectroscopia”, admite Ghez, quien notó que la luz de S2 disminuye su velocidad en aproximadamente 201 kilómetros por segundo (exactamente lo que las ecuaciones de Einstein predijeron para un objeto con el peso gravitacional de SgrA*). Además, el trabajo determina con mayor precisión la masa y distancia de SgrA*. 

Los científicos ya habían probado la relatividad general de este modo con anterioridad. Los campos gravitatorios más débiles de nuestro sistema solar y alrededor de los cuerpos de estrellas giratorios, llamados pulsares, tienen el mismo efecto. Los satélites de posicionamiento global deben ajustarse continuamente por los efectos relativistas generados por la gravedad de la Tierra y, sin dichas correcciones, la navegación con cualquier tipo de aplicación podría fallar. 

Asimismo, el equipo GRAVITY, con base en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania, ha estado estudiando los centros galácticos durante décadas, y el año pasado anunciaron que habían detectado el mismo desplazamiento al rojo gravitatorio en la luz de S2 que lo que el equipo de Ghez describió en el día de la fecha.  

Las dos mediciones coinciden, lo que sugiere que la gravedad es consecuente con la teoría de Einstein y no con el modelo newtoniano, pero difieren en algunos detalles. Ghez sospecha que los errores sistemáticos causados por instrumentos y marcos de referencia pueden explicar estas diferencias, y dice que, a medida que los equipos continúan estudiando el centro galáctico, será cada vez más importante eliminar dichos errores.

Frank Eisenhauer, el investigador principal de GRAVITY, señala que es muy bueno ver estas nuevas mediciones independientes y la confirmación del desplazamiento al rojo gravitatorio. Para él, los resultados demuestran que la bestia supermasiva del centro de nuestra galaxia sigue siendo un objetivo clave para descifrar la física de los agujeros negros y la teoría de la gravedad.

“El futuro de la investigación del centro galáctico es brillante”, menciona.