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ZAPPING 0156, 18-ene-2003

Deslizándose alrededor de un agujero negro

Un equipo internacional de astrónomos, liderado por investigadores del Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), observó por primera vez en forma directa una estrella normal orbitando un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, nuestra galaxia.
    Diez años de cuidadosas mediciones fueron coronados con la obtención de una serie de imágenes únicas tomadas por el instrumento Adaptive Optics (AO) de NAOS-CONICA (NACO) en el telescopio de 8.2-m VLT YEPUN en el Observatorio de Paranal, Chile, del ESO.
    Las mediciones anteriores de la velocidad de las estrellas vecinas al centro de la Vía Láctea y de la emisión variable de rayos X desde esta zona habían dado fuertes evidencias de que existe un agujero negro en el centro de nuestra galaxia, lo que implica que las concentraciones de masa oscura que se observan en los núcleos de la mayoría de las otras galaxias probablemente sean agujeros negros supermasivos. Sin embargo, no se había podido excluir algunas configuraciones alternativas.
    En un impactante artículo aparecido en la revista de investigación Nature el 17 de octubre del 2002, un equipo de investigación reportó sus excitantes resultados, que incluyen imágenes de alta resolución que permiten trazar dos tercios de la órbita de la estrella designada "S2". Ésta es la estrella observable más cercana en la actualidad a la fuente compacta de radio "SgrA*" ("Sagitario A"), ubicada en el centro exacto de la Vía Láctea (y candidata a ser el agujero negro supermasivo). El período orbital es de algo más de 15 años.
    Este hallazgo deja fuera de carrera, con toda certeza, a los modelos de grupos de estrellas inusuales o partículas elementales, y deja poca duda de la presencia de un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia en que vivimos.



Cuásares y agujeros negros

Desde el descubrimiento de los cuásares (quasars, quasi-stellar radio sources) en 1963, los astrofísicos han buscado una explicación para la tremenda producción de energía de estos objetos, que son los más luminosos del universo. Los cuásares están ubicados en el centro de las galaxias y se cree que la enorme energía que emiten se debe a materia que cae sobre agujeros negros supermasivos y libera energía gravitacional en forma de una intensa radiación antes de que la materia desaparezca para siempre dentro del agujero (en términos físicos, "pasa más allá del horizonte de eventos").

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Modelo de un disco de acreción alrededor de un agujero negro

Pero si es ése el mecanismo, para explicar la prodigiosa producción de energía de los cuásares y otras galaxias activas es necesario imaginar la presencia de agujeros negros con masas desde un millón a varios miles de millones de veces la del Sol. Durante los años recientes se ha acumulado mucha evidencia que apoya el modelo basado en un "agujero negro con disco de acreción" para los cuásares y otras galaxias. Entre esta evidencia está la detección de concentraciones de masa oscura en las regiones centrales de muchas galaxias, incluyendo la nuestra.

Sin embargo, una teoría que no se preste a ambigüedades requiere que se puedan excluir todas las otras posibles configuraciones, que no requieren la presencia de agujeros negros en la concentración central de masa. Para esto es imperativo determinar la forma del campo gravitatorio en la zona cercana al objeto central, algo que no es posible en los cuásares distantes debido a limitaciones tecnológicas de los telescopios disponibles hoy.

El centro de la Vía Láctea

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ESO PR Photo 23a/02
Región central de la Vía Láctea

El centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, está ubicado en la constelación de Sagitario (el Arquero), en el sur, y está a "sólo" 26.000 años luz de nosotros. En las imágenes de alta resolución se pueden ver miles de estrellas ubicadas dentro de la región central de un año luz (se debe tener en cuenta, para darse una idea de la aglomeración que significa esa cantidad, que esa distancia corresponde a alrededor de un cuarto de la distancia a Próxima Centauri, la estrella más cercana al Sistema Solar. Mientras que en medio año luz alrededor del centro de la galaxia hay miles de estrellas, en una esfera de cuatro años luz de radio alrededor de nosotros no hay ninguna otra estrella).

Observando durante la última década los movimientos de esas estrellas con el nuevo Technology Telescope de 3,5-m (NTT) en el Observatorio La Silla del ESO, Chile, y luego en el Telescopio Keck de 10-m de Hawaii, EE.UU., se ha demostrado que hay una masa oscura de alrededor de tres millones de veces la del Sol concentrada en un radio de sólo 10 días-luz. Esta masa coincide con la fuente compacta de rayos-X llamada SgrA* ("Sagitario A") que está ubicada en el centro de ese grupo de estrellas.

Esto significa que SgrA* es lo más parecido al famoso agujero negro que habita los centros galácticos y, al mismo tiempo, convierte a nuestro Centro Galáctico en la mejor evidencia de que existen los agujeros negros supermasivos. Sin embargo, no se excluyen aún otras posibles configuraciones, en las que no intervienen agujeros negros.

Observación del centro de la Vía Lactea

El nuevo instrumento NACO fue instalado a fines de 2001 en el telescopio VLT de 8.2-m YEPUN. Ya en las pruebas iniciales produjo varias imágenes impresionantes, que fueron motivo de un lanzamiento de prensa.

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ESO PR Photo 23b/02
El centro de la galaxia en infrarrojo

"Las primeras observaciones de este año con el NACO nos aportaron las imágenes más claras y profundas del centro de la Vía Láctea, que nos muestran gran cantidad de estrellas del área en gran detalle", dijo Andreas Eckart de la University of Cologne, otro miembro del grupo internacional dirigido por Rainer Schödel, Thomas Ott y Reinhard Genzel del MPE. "¡Seguimos anonadados por el increíble suceso de aquellos datos!"

Combinando sus imágenes de infrarrojo con datos de radio de alta resolución, el grupo fue capaz de determinar con precisión, a lo largo de un período de diez años, las posiciones de alrededor de mil estrellas del área central, referidas siempre a la fuente compacta de radio SgrA*.

"Cuando incluimos los últimos datos de NACO en nuestro análisis en mayo del 2002, no pusimos creer lo que veían nuestros ojos. La estrella S2, que es la más cercana a SgrA* en este momento, había dado una rápido vuelta a la fuente de radio. Comprendimos enseguida que estábamos siendo testigos del movimiento de una estrella alrededor del agujero negro central, en una órbita que la llevaba increíblemente cerca del misterioso objeto", dijo Thomas Ott, que trabaja con el grupo de MPE en su tesis para el doctorado de física.

En órbita alrededor de la enorme masa central

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ESO PR Photo 23c/02
La órbita de S2

No se ha registrado jamás ningún evento parecido. Estos datos únicos muestran sin duda posible que S2 se mueve siguiendo una órbita elíptica que tiene a SgrA* en un foco. Esto significa que S2 orbita a SgrA* como la Tierra orbita el Sol.

Los extraordinarios datos obtenidos permiten, además, una determinación precisa de los parámetros orbitales (forma, tamaño, etc.). Surge de esto que S2 alcanzó el máximo acercamiento a SgrA* en la primavera del hemisferio norte de 2002, momento en que estaba a sólo 17 horas-luz de la fuente de radio, tres veces el radio del Sistema Solar (la distancia entre el Sol y Plutón, en realidad).
(MPEG, 554 Kb)
ESO PR Video Clip 02/02
(MPEG, 554 Kb)
Movimiento de las estrellas, incluyendo S2, en el área central de la galaxia.
(producido por la Max-Planck-Society)
Se está moviendo a más de 5000 km/s, cerca de doscientas veces la velocidad de la Tierra en su órbita alrededor del Sol. El período orbital es de 15,2 años. La órbita es muy alargada —con una excentricidad de 0,87—, lo que indica que S2 queda a alrededor de 10 días-luz de la masa central en su punto orbital más distante. De no ser porque orbita de este modo el centro de la galaxia, S2 es una estrella "normal", aunque es quince veces más masiva y siete veces más grande que el Sol. Su órbita alrededor del agujero negro, en comparación con muchas otras estrellas, es estable. Aunque pasa relativamente cerca del agujero negro en su órbita actual, S2 debería estar al menos setenta veces más cerca (alrededor de 16 minutos-luz del agujero negro) para correr el riesgo de ser destruida por efecto de la fuerza de marea. Los astrónomos llaman a los puntos extremos de la órbita "perenigricon" (el más cercano) y "aponigricon" (el más lejano).

"Ahora podemos demostrar con certeza que SgrA* realmente es el lugar donde está localizada la masa central oscura cuya existencia conocemos. Todavía más importante, los nuevos datos han achicado en un factor de varios miles el volumen que contiene esos millones de masas solares", dijo Rainer Schödel, estudiante del doctorado de física del MPE y autor principal del artículo resultante.

De hecho, los cálculos del modelo indican que la mejor estimación de la masa del agujero negro del centro de la Vía Láctea es de 2,6 ± 0,2 millones de veces la masa del Sol.

No hay otra posibilidad

De acuerdo al análisis detallado que presentaron en el artículo de Nature, ahora se pueden excluir definitivamente otras hipotéticas configuraciones, como un grupo muy compacto de estrellas de neutrones, agujeros negros de tamaño estelar o estrellas de masa normal, y hasta una "bola de neutrinos pesados".

La única configuración basada en un objeto que no sea un agujero negro que continúa siendo viable es una hipotética estrella compuesta de partículas elementales pesadas llamadas bosones, que se parece mucho a un agujero negro. "Sin embargo", dice Reinhard Genzel, "aunque la existencia de una estrella de bosones es, en principio, posible, ésta de todos modo colapsaría rápidamente en un agujero negro supermasivo, por eso pienso que en este caso estamos peleando por nada".

Próximas observaciones

"La mayoría de los astrofísicos aceptarán que los nuevos datos proveen una evidencia concluyente de que hay un agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. Esto hace mucho más plausible la interpretación de que la enorme concentración de masa oscura que se detecta en el centro de la mayoría de las galaxias es un agujero negro supermasivo", dice Alvio Renzini, científico del ESO.

Por lo tanto, ¿qué queda por hacer? El próximo gran desafío es comprender cuando y cómo se formaron esos agujeros negros supermasivos y por qué prácticamente todas las galaxias de cierto tamaño parecen tener uno. La formación de agujeros negros centrales y de la misma galaxia parece ser cada vez más un problema metido dentro de otro, como el del huevo y la gallina. Por eso es uno de los desafíos más fuertes para resolver con el VLT en los próximos años.

Hay pocas dudas de que las próximas observaciones con los instrumentos del VLT Interferometer (VLTI) y del Large Binocular Telescope (LBT) producirán también un gran avance en este excitante campo de investigación.

Andreas Eckart es optimista: "Quizás en los próximos años hasta sea posible demostrar, por medio de observaciones de rayos X y radio, la existencia del horizonte de eventos."


Notas

ESO es la sigla de European Southern Observatory.

EL EQUIPO está conformado por Rainer Schödel, Thomas Ott, Reinhard Genzel, Reiner Hofmann y Matt Lehnert (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Alemania), Andreas Eckart y Nelly Mouawad (Physikalisches Institut, Universität zu Köln, Cologne, Alemania), Tal Alexander (The Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel), Mark J. Reid (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge, Mass., EEUU), Rainer Lenzen y Markus Hartung (Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Alemania), François Lacombe, Daniel Rouan, Eric Gendron y Gérard Rousset (Observatoire de Paris - Section de Meudon, Francia), Anne-Marie Lagrange (Laboratoire d'Astrophysique, Observatoire de Grenoble, Francia), Wolfgang Brandner, Nancy Ageorges, Chris Lidman, Alan F.M. Moorwood, Jason Spyromilio y Norbert Hubin (ESO) y Karl M. Menten (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Alemania).

EL SISTEMA NACO tiene dos partes principales, CONICA y NAOS. COudé Near-Infrared CAmera (CONICA) fue desarrollado por un consorcio alemán, con amplia colaboración de ESO. El consorcio consiste de Max-Planck-Institut für Astronomie (MPIA) (Heidelberg) y Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik (MPE) (Garching). Nasmyth Adaptive Optics System (NAOS) fue desarrollado por un consorcio francés en colaboración con ESO, con el apoyo de INSU-CNRS. El consorcio francés consiste de Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA), Laboratoire d'Astrophysique de Grenoble (LAOG) y Observatoire de Paris (DESPA and DASGAL).

HORIZONTE DE EVENTOS: En la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein toda masa tiene un radio característico, el "horizonte de eventos", o "radio de Schwarzschild", bautizado así en honor al astrofísico alemán Karl Schwarzschild. Dentro de este radio, ni la luz puede escapar a la atracción de la fuerza gravitatoria. El radio para un agujero negro de 2,6 ± 0,2 millones de masas solares (como el que se encuentra en el centro de nuestra galaxia) es de alrededor de 7,7 millones de km (26 segundos-luz).

LAS DISTANCIAS ASTRONÓMICAS se expresan generalmente en el tiempo que le tomaría a la luz para recorrerlas, viajando a 300.000 km/seg:

1 segundo-luz = 3 x 105 km = 300.000 km
1 minuto-luz = 18 x 106 km = 18.000.000 km
1 hora-luz = 1,08 x 109 km = 1.080.000.000 km
1 día-luz = 2,6 x 1010 km = 26.000.000.000 km
1 mes-luz = 7,8 x 1011 km = 780.000.000.000 km
1 año-luz = 9,5 x 1012 km = 9.500.000.000.000 km


En la sección Noticias:
c-119InfoAgujeroNegro.htm
c-122InfoAgujeroNegro.htm

Información de prensa de ESO disponible en http://www.eso.org/outreach/press-rel/.


(Traducido, adaptado y ampliado por Eduardo Carletti en base al artículo "Seeing a Star Orbit around the Supermassive Black Hole at the centre of the Milky Way" de Rainer Schödel et al, aparecido en "Nature" en Octubre de 2002, y en información del Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), Garching, Alemania.)


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