Por qué los astrónomos no pueden predecir el comportamiento de 27 nuevas estrellas descubiertas

En una observación que causó sorpresa y se realizó desde los Países Bajos, se identificaron astros que orbitan estrechamente alrededor del agujero negro en el centro de nuestra Vía Láctea con un comportamiento que los desconcertó.

El caos dinámico es una manifestación fundamental de la gravedad en los sistemas astrofísicos de muchos cuerpos. Las derivaciones analíticas de estos exponentes son fundamentales para comprender la estabilidad y previsibilidad de los sistemas estelares. Sin embargo, un estudio científico presentó un nuevo modelo para el caos en sistemas con órbitas excéntricas y cruzadas.

Este hallazgo comenzó con la detección de las órbitas de 27 estrellas que circulan estrechamente alrededor del agujero negro en el centro de nuestra Vía Láctea, las cuales son tan caóticas que los investigadores no pueden predecir con confianza dónde estarán dentro de unos 462 años.

El descubrimiento surge de simulaciones realizadas por tres astrónomos radicados en los Países Bajos y el Reino Unido. Los investigadores publicaron sus hallazgos en el International Journal of Modern Physics D y en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Simular el movimiento de 27 estrellas y sus interacciones entre sí y con el agujero negro es más fácil de decir que de hacer. Durante siglos, por ejemplo, fue imposible predecir los movimientos de más de dos estrellas, planetas, rocas u otros objetos en interacción. No fue hasta 2018 que los investigadores de Leiden desarrollaron un programa informático en el que los errores de redondeo ya no influyen en los cálculos. Con ello pudieron determinar los movimientos de tres estrellas imaginarias.

Ahora, los mismos especialistas han ampliado su programa para abordar 27 estrellas que, según los estándares astronómicos, se mueven cerca del agujero negro en el centro de la Vía Láctea.

Interacciones caóticas

Las nuevas simulaciones de estos astros masivos y del agujero negro dieron como resultado una sorpresa. Aunque las estrellas permanecen en sus órbitas alrededor del agujero negro, las interacciones entre ellas muestran que las órbitas son caóticas. Esto significa que pequeñas perturbaciones causadas por las interacciones subyacentes cambian las órbitas de las estrellas. Estas modificaciones crecen exponencialmente y, a la larga, hacen que las órbitas de las estrellas sean impredecibles.

Después de 462 años, no podemos predecir las órbitas con seguridad. Este es un lapso sorprendentemente corto, comparado con nuestro sistema solar, que ya no es predecible con seguridad después de 12 millones de años.

Así pues, la vecindad del agujero negro es 30.000 veces más caótica que la nuestra, y no lo esperábamos en absoluto. Por supuesto, el sistema solar es unas 20.000 veces más pequeño, contiene millones de veces menos masa y sólo tiene ocho objetos relativamente livianos en lugar de 27 masivos, pero, si me hubieran preguntado de antemano, eso no debería haber importado tanto.

El caos surge cada vez más o menos de la misma manera. Siempre hay dos o tres estrellas que se acercan entre sí. Esto provoca un empujón y un tirón mutuo entre ellas. Esto, a su vez, conduce a órbitas estelares ligeramente diferentes. El agujero negro alrededor del cual orbitan es entonces ligeramente empujado hacia afuera, lo que a su vez es sentido por todas las estrellas. De esta forma, una pequeña interacción entre dos de ellas afecta a las 27 del cúmulo central.

“Realizamos nuestra simulación durante 10.000 años cada vez. Rápidamente, las órbitas estelares parecen permanecer sin cambios con el tiempo -dice Tjarda Boekholt (ex estudiante graduada de Portegies Zwart en 2015 y que ahora trabaja en la Universidad de Oxford, Reino Unido)-. Sólo cuando uno se empieza a acercar a un segmento de una órbita se hacen visibles las variaciones caóticas, que pueden alcanzar valores grandes de hasta cuarenta unidades astronómicas, lo que equivale a cuarenta veces la distancia de la Tierra al Sol”.

Para una fácil comprensión, se puede comparar el caos en el agujero negro con andar en bicicleta por una ciudad. Se sabe aproximadamente cuánto tiempo lleva, pero es imposible predecirlo exactamente. Si hay un puente abierto o si alguien salta delante de la bicicleta, es posible que se llegue minutos más tarde. Y así es como funciona también con las estrellas alrededor del agujero negro.

Ustedes son conscientes de que periódicamente se producen acontecimientos inesperados que provocan un cambio exponencial que ahora podemos medir. Pero la implicación es que el centro de la Vía Láctea con el agujero negro y las 27 estrellas que lo orbitan ya no es predecible con confianza después de 462 años. Ya no podemos predecir de manera confiable las posiciones y velocidades de esas estrellas.

Para el equipo de trabajo lo que importa no son tanto los 462 años, porque, por supuesto, es muy poco. Lo que queremos decir es que, como astrónomos, tenemos que mirar de manera diferente que antes lo que sucede en las proximidades de un agujero negro Y tenemos que encontrar nuevas palabras para ello. Por ejemplo, comencé a construir un glosario de definiciones con Tjarda Boekholt, simplemente porque no existían términos que capturaran con precisión este nuevo tipo de comportamiento caótico que estábamos observando.

Es por eso que este fenómeno se denominó “caos puntuado”. El término está inspirado en la biología evolutiva donde ocurre lo contrario: el llamado equilibrio puntuado. Se trata de la evolución dentro de las especies, donde a menudo existe un equilibrio a largo plazo que sólo se ve interrumpido muy esporádicamente por un acontecimiento impactante.

“Antes de esta investigación, no se sabía si el caos en las simulaciones tenía un origen físico o si surgía de errores de redondeo y otros problemas con los cálculos -explicó el coautor Douglas Heggie, astrónomo de la Universidad de Edimburgo en el Reino Unido y pionero en el campo del problema de los N-cuerpos-. Hemos puesto a prueba las simulaciones y los cálculos subyacentes de muchas maneras. Nuestros resultados se mantienen sólidos”. “Ahora podemos hacer afirmaciones reales sobre el comportamiento caótico de los sistemas con múltiples estrellas. Eso es maravilloso”, concluye.

*Simon Portegies Zwart es astrónomo y especialista de la Universidad de Leiden en los Países Bajos y uno de los autores de la investigación.