Una estrella récord reveló los secretos del agujero negro central de la Vía Láctea

El centro de la Vía Láctea volvió a sorprender a la astronomía mundial con un hallazgo que desafía los límites del conocimiento sobre los agujeros negros supermasivos.

Un equipo internacional detectó la estrella más cercana y veloz jamás observada orbitando Sagitario A*, el agujero negro de 4,3 millones de masas solares en el corazón galáctico. El descubrimiento, publicado en la revista Nature, abre una nueva era en la medición de los efectos gravitatorios extremos y la dinámica del espacio-tiempo alrededor de estos colosos cósmicos.

La estrella, denominada S301, orbita a tan solo 12 unidades astronómicas del agujero negro, completando una vuelta en apenas 8,7 años. En su punto más cercano, alcanza velocidades de 90 millones de kilómetros por hora, el 8% de la velocidad de la luz. Con una magnitud en el infrarrojo de 19,3 y una masa estimada de 1,5 veces la del Sol, S301 fue localizada mediante observaciones realizadas con el instrumento GRAVITY del Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral en Chile.

El laboratorio natural del centro galáctico y la física de extremos

El centro galáctico, a unos 27.000 años luz de la Tierra, constituye uno de los mejores laboratorios para estudiar la física en condiciones extremas. “Las estrellas que orbitan Sgr A son objetos muy interesantes, ya que sirven como sondas luminosas del espaciotiempo curvo alrededor del agujero negro”, explicó Felix Mang, coautor del estudio y estudiante de doctorado en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre en Alemania.

La gravedad en esa región es mucho más intensa que en cualquier otro lugar accesible para la observación astronómica, y permite poner a prueba los fundamentos de la relatividad general de Einstein.

Hasta ahora, la estrella S2, con una órbita de 16 años, había sido la principal herramienta para explorar el entorno de Sagitario A*. Su seguimiento, iniciado en 1992, permitió confirmar dos predicciones clave de la teoría de Einstein: la luz de la estrella pierde energía al salir del pozo gravitatorio del agujero negro y la elipse de su órbita experimenta una lenta rotación, conocida como precesión de Schwarzschild. En palabras de Mang, “estos efectos dependen únicamente de la masa del agujero negro”.

La nueva estrella S301, al acercarse mucho más al agujero negro, ofrece la posibilidad de medir no solo la masa, sino también el espín, es decir, la rotación. “Un agujero negro en rotación arrastra consigo el tejido del espacio, como una cuchara que remueve miel”, detalla el estudio. Este efecto, predicho por la métrica de Kerr, se desvanece rápidamente con la distancia, por lo que solo una estrella en una órbita extremadamente próxima puede sondearlo.

La importancia de medir el espín va más allá de la física de los agujeros negros. Existen teorías alternativas a la relatividad general que predicen la aparición de una quinta fuerza fundamental cuando se unifican la gravedad y la física cuántica.

“Cualquier desviación de las predicciones de Einstein debería reflejarse en estas órbitas estelares. Hasta ahora, solo se ha podido determinar un límite superior, que va disminuyendo progresivamente”, explicó Mang, subrayando el valor de observaciones cada vez más precisas.

S301 y la física de la relatividad en acción

El hallazgo de S301 fue posible gracias al avance de la interferometría en el infrarrojo cercano y a la actualización tecnológica del instrumento GRAVITY, que multiplicó su sensibilidad y permitió distinguir la tenue señal de la estrella entre un mar de estrellas mucho más brillantes. La detección de S301 requirió además un nuevo método de reconstrucción de imágenes y el análisis de datos archivados desde 2017.

La órbita de S301 es extrema: describe una elipse muy alargada, pasa a solo 12 veces la distancia entre la Tierra y el Sol del agujero negro y completa un giro en solo 8,7 años, superando al anterior récord de una estrella con órbita de 12 años. Su velocidad máxima alcanza los 25.000 km/s, lo que hace que la precesión de Schwarzschild —el giro de la elipse orbital— resulte mucho más notoria que en S2. En cada vuelta, la elipse de S301 gira unos 2 grados sobre su propio plano, efecto que ya puede ser detectado y que será clave para medir el espín de Sagitario A* en la próxima década.

En palabras del equipo, “la órbita de S301 se ve afectada por fuertes efectos de la relatividad general, ya que la llamada precesión de Schwarzschild —el giro de la elipse orbital sobre su propio plano— es muy evidente”. Al comparar estos resultados con los obtenidos para S2, el salto en la sensibilidad a los parámetros relativistas es notable. En el caso de S2, durante su paso por el pericentro en 2018, el corrimiento al rojo gravitatorio producido por Sagitario A* generó un cambio en las posiciones medidas de las líneas atómicas de la estrella de aproximadamente 200 km/s, un efecto totalmente consistente con la teoría de Einstein.

S301, por su proximidad, permitirá ir más allá: “Dentro de las capacidades de medición de la interferometría actual en el infrarrojo cercano y la futura espectroscopia en un telescopio extremadamente grande, el movimiento de S301 es directamente sensible al espín de Sgr A*”, señala el estudio técnico.

La alta excentricidad de la órbita sugiere que S301 fue parte de un sistema binario que se acercó demasiado al agujero negro, se separó por el mecanismo de Hills y su compañera fue expulsada de la galaxia como una estrella hiperveloz.

El descubrimiento de S301 no solo valida los efectos relativistas previstos para masas y distancias extremas, sino que abre la puerta a nuevas pruebas de la física fundamental.

Los agujeros negros, según la relatividad general, tienen dos grados de libertad además de la masa: el espín y la carga. El espín es astrofísicamente relevante y, aunque se han obtenido estimaciones por espectroscopía de rayos X y por ondas gravitacionales en fusiones cósmicas, pocas veces se lo ha medido de manera directa y dinámica.

En palabras del propio estudio: “Como los efectos del espín en el espacio-tiempo disminuyen con la distancia r al agujero negro a una tasa de r −3 , en realidad es difícil medir un espín”.

El reto para la próxima década será seguir la órbita de S301 con el instrumento GRAVITY y con espectroscopía avanzada para determinar cómo la luz de la estrella se desplaza hacia el rojo o el azul a medida que se aleja o se acerca a la Tierra. “Seguiremos observando de cerca a S301 a lo largo de su órbita”, afirmó Mang, y las simulaciones sugieren que estos datos podrían distinguir entre un agujero negro girando velozmente y uno estacionario.

El hallazgo de S301 resulta aún más relevante porque no se trata de un caso aislado. Las simulaciones sugieren que unas 100 estrellas similares podrían encontrarse en órbitas comparables, aunque la mayoría permanece fuera del alcance de la tecnología actual.

El avance en la sensibilidad de los telescopios y la mejora en las técnicas de análisis permitirán, en el futuro, identificar más objetos de este tipo y profundizar en el estudio de la dinámica extrema cerca de los agujeros negros.

El centro galáctico y Sagitario A* ofrecen una oportunidad única para comprobar los límites de la física conocida y buscar las primeras pistas de una nueva física. El seguimiento de S301 promete transformar la comprensión de la gravedad, la estructura de los agujeros negros y las leyes que gobiernan el universo en sus entornos más extremos.