Una breve remembranza de Cassini-Huygens.

El 15 de septiembre pasado el mundo pudo seguir y ser partícipe de un gran evento, el final de la misión Cassini-Huygens.  Durante mas de una década, dicha misión permitió a la comunidad científica la exploración y el estudio del planeta Saturno y como han relatado las noticias, a las 6:57 am hora de la Ciudad de México (11:57 GMT) la nave se precipitó hacia la atmósfera del planeta donde se desintegró por completo. A unos días de su final, hagamos aquí una pequeña recapitulación acerca de la misión.

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Crean la mejor imagen de una estrella más allá del Sol

—¿Todos esos puntos en el cielo son estrellas? ¿Por qué brilla? ¿Cuántas hay? ¿También tienen picos como las que dibujamos en la escuela?— En algún momento de nuestra infancia, cuando tuvimos la oportunidad de mirar el cielo nocturno, probablemente esas eran algunas de las preguntas que pasaron por nuestra mente. Y si tuvimos a alguien mayor por ahí cerca, seguro que también lo pusimos en aprietos al tratar de que saciar nuestra curiosidad.

El peculiar ritmo de unas enanas café

En lo que respecta a la astronomía, la inmensidad del Cosmos siempre resulta alucinante y atractiva. Nos llama la atención lo enorme de las distancias, nos emociona descubrir la galaxia más grande, los agujeros negros más masivos o la estrella con mayor temperatura en su superficie. Pero en el Universo no sólo existe lo inmenso, también hay objetos pequeños (o al menos relativamente pequeños) que para los astrónomos resultan igual de fascinantes e interesantes.

Un ejemplo de estos objetos son las enanas café o marrón. La verdad, es un poco complicado clasificaras: no son estrellas, pues son demasiado pequeñas, y si tuviéramos que compararlas con un planeta, diríamos que son gigantes gaseosas, pero de mayor tamaño que Júpiter o Saturno. En realidad se trata de objetos subestelares, donde sus propiedades como tamaño, temperatura y composición química se parecen a las de los exoplanetas gigantes.

Dibujo artístico de una enana café o marrón (NASA/JPL)

Una de las herramientas más utilizadas por los astrónomos para estudiar cualquier tipo de estrellas es el análisis de sus “curvas de luz”, es decir, como varía su brillo en función del tiempo. Las observaciones de ciertos patrones pueden darnos una mejor comprensión de la composición y comportamiento de la atmósfera o capas exteriores de las estrellas. Estudiar las atmósferas de las estrellas es importantísmo en astronomía, porque es la forma de intuir, y después por diversos métodos comprobar, qué sucede en el interior: en el núcleo donde se genera la luz y la energía, en las diversas capas internas, en la superficie y así hasta que, después de viajar cientos o miles de años luz, la información eventualmente llega  a nuestros telescopios e instrumentos.

Comparación de tamaño entre (de izquierda a derecha) el Sol, una estrella de baja masa, una enana café o marrón, Júpiter y la Tierra. (NASA/JPL-Caltech/UCB)

Así, un grupo de astrónomo emprendieron la tarea de estudiar las curvas de luz de algunas enanas cafés. Sin embargo, los investigadores se toparon con patrones de variación que resultaban complicados de explicar con modelos conocidos, usados de forma regular, de atmósferas estelares. Estos modelos suelen considerar que las curvas de luz responden sólo a dos tipos de atmósferas: una estable que rota uniformemente junto con la estrella y una que además de rotar tenía movimientos estocásticos y poco estructurados.

Dado que estos modelos no lograron reproducir las observaciones, el equipo encabezado por Daniel Apai de la Universidad de Arizona, intentó nuevos enfoques en una serie de enanas cafés notablemente frías, con temperaturas superficiales entre -23°C hasta 1,726°C.

Primero, observaron las enanas café en el espectro del infrarrojo utilizando el Telescopio Espacial Spitzer y las vigilaron a lo largo de un año y medio. Apai y sus colaboradores encontraron que las anomalías observadas podrían ser mejor reproducidas si, en vez de atmósferas uniformes, se consideraban formadas por bandas de nubes rotando con velocidades ligeramente distintas cada una. Este patrón de bandas en las atmósferas sería muy similar al que se ha observado en el planeta Neptuno.

Arriba, Neptuno observado con luz infrarroja. Abajo, modelo creado por Apai et al. de la enana café 2M1324.

La combinación de las distintas velocidades de rotación de cada banda forma un “ritmo” o “compás” (beat en inglés) que puede pensarse como análogo a los ritmos en la acústica, pero sin pasar por alto que en las enanas cafés no son ritmos de sonido, sino de los patrones de luz.

Los ritmos encontrados por el equipo de Apai, publicados hoy en la revista Science, explican mejor los patrones de las curvas de luz de las enanas cafés. Así, las enanas café, o por lo menos las estudiadas por Apai y sus colaboradores, muestran que sus nubes, bandas y otras morfologías son muy parecidas a las de los planetas gigantes del Sistema Solar.

Efectos relativistas en una estrella hacia el centro de la Vía Láctea

Todos hemos escuchado algo sobre el concepto de gravedad: esa fuerza de atracción entre dos o más cuerpos y que fue cuantificada por primera vez en 1687 por Sir Isaac Newton.

De acuerdo con la mecánica Newtoniana dicha fuerza depende tanto de la masa que tengan los cuerpos, como de que tan separados están entre ellos. Pero además, según el enfoque de Newton, tiempo y espacio son conceptos separados y los eventos en el Universo se observan igual sin importar quien los mire.

Para Newton, por ejemplo, las órbitas de los astros alrededor de un cuerpo más masivo, como la que describen los planetas alrededor de una estrella, son elípticas y no cambian mas que por la influencia de otro planeta o tal vez del eventual paso cercano de un cometa o un asteroide.

Sin embargo, desde el primer momento que se tuvieron observaciones bastante precisas de los movimientos planetarios en el siglo XIX, se encontró que Mercurio muestra un comportamiento extraño: su perihelio, el punto más cercano al Sol, no siempre está en el mismo lugar, sino que tiene un pequeño desplazamiento llamado precesión. Usando únicamente las leyes del movimiento de Newton, no podemos explicar el movimiento anómalo de Mercurio.

Aquí es donde entra Albert Einstein.

En 1915, dentro de su teoría de relatividad general, Einstein describió el tiempo y el espacio como si estuvieran entrelazados en un continuo, denominado espacio-tiempo. Pero además, la misma gravedad también se aborda de un modo distinto: más que una fuerza, es una deformación del tejido del espacio-tiempo como resultado de la presencia de un cuerpo masivo. Así, las trayectorias de los astros cercanos a este cuerpo se describen como un movimiento sobre este espacio-tiempo “deformado”. Como dijera el físico teórico John A. Wheeler, la materia le dice al espacio-tiempo cómo curvarse y el espacio-tiempo le dice a la materia cómo moverse.

Entonces, la teoría de la relatividad general de Einstein logró explicar la precesión de Mercurio.

Pero la comunidad científica sigue buscando nuevas maneras de comprobar y entender mejor los efectos de la relatividad general y una manera de hacerlo es estudiando las perturbaciones de las órbitas de astros en las cercanías de cuerpos muy masivos, donde el tejido del espacio-tiempo se encuentre altamente distorsionado.

Un gran escenario para esto es en las cercanías de agujeros negros supermasivos, aquellos que tienen masas de cientos miles o millones de veces la masa del Sol. Y el monstruo supermasivo más cercano que tenemos está en el centro de nuestra Vía Láctea, a 26 000 años luz.

Con una masa equivalente a la de cuatro millones de veces la del Sol, Sagitario A*  o Sgr A* (se lee “sagitario A estrella”) se ha mantenido bastante tranquilo, en comparación con otro agujeros supermasivos que están alimentándose de material en el centro de sus galaxias. Aunque en realidad, Sgr A* no se encuentra tan solo.

Alrededor de Sgr A* orbita un pequeño grupo de estrellas a gran velocidad bajo la influencia del fuerte campo gravitatorio. En particular la estrella denominada S2 tiene un corto periodo orbital, de unos 16 años, lo que ha permitido a los científicos acumular observaciones y datos.

Región central de la Vía Láctea observada en cercano-infrarrojo con el instrumento NACO en los telescopios VLT de la ESO. Sgr A* permanece invisible al centro del recuadro, pero el grupo de estrellas a su alrededor delatan su presencia. La estrella S2 estará pasando muy cerca del agujero negro en el 2018, será una gran oportunidad para confirmar la teoría de relatividad general de Einstein.

Así, un equipo de astrónomos checos y alemanes ha comparado observaciones de alta precisión de los últimos veinte años, obtenidas en luz infrarroja con los telescopios VLT, en Chile, con predicciones teóricas de la órbita bajo los modelos Newtoniano clásico y de relatividad general.

Está representación muestra parte de los cambios en la órbita de la estrella S2. ESO.

Los resultados parecen mostrar que los cambios en el movimiento de la estrella S2 efectivamente son consistentes con las predicciones teóricas que hizo Einstein hace más de 100 años. La forma de la órbita ha cambiado apenas un poco y la orientación lo ha hecho 1/6 de grado.

“Durante el curso de nuestro análisis nos dimos cuenta de que para determinar los efectos relativistas de S2 uno definitivamente necesita conocer la órbita completa con una precisión muy alta”,

comenta Andreas Eckart, líder del equipo e investigador en la Universidad de Colonia.

En un comunicado del Observatorio Europeo Austral, ESO, los investigadores señalan que el actual resultado es un preludio para mediciones y pruebas de relatividad mucho más precisas que se harán utilizando el instrumento GRAVITY en 2018, cuando la estrella S2 pase muy cerca del agujero negro supermasivo.

De confirmarse las perturbaciones en el espacio-tiempo producidas por Sgr A*, esta sería la primera vez que se logre una medida de los efectos relativistas en estrellas alrededor de un agujero negro supermasivo.

El resultado fue publicado en la revista Astrophysical Journal.