Más evidencia de un tercer tipo de agujeros negros

Un grupo de astrónomos ha publicado más datos sobre un tipo raro de agujero negro. La evidencia observada en rayos X ocurrió en un cúmulo galáctico a unos 740 millones de años luz de distancia.

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Cuando un monstruo devora una estrella

Por primera vez, un grupo internacional de astrónomos ha captado la formación y la expansión de un chorro de material empujado por un agujero negro supermasivo, producto del desgarró de una estrella que se acercó demasiado al monstruo cósmico.

¿Y si fueran agujeros de gusano?

Desde 2015, las colaboraciones científicas Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) y Virgo han detectado ondas gravitacionales de la fusión de dos agujeros negros, inaugurando una nueva era en el estudio del Cosmos. Pero ¿y si esas ondas de espacio-tiempo no fueron producidas por agujeros negros, sino por otros objetos exóticos?

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.

Anuncian una detección más de ondas gravitacionales

Un equipo internacional de investigadores ha realizado la tercera detección de ondas gravitacionales: esos bucles del espacio-tiempo (predichas por Einstein a principios del siglo pasado), producidas por colisiones de objetos extremadamente masivos.

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Aunque la detección ocurrió el 4 de enero de este 2017, el anuncio se da hoy, después de largos trabajos de análisis y modelado. El resultado fue la confirmación de las ondas y la propuesta de su origen: la colisión de dos agujeros negros, a 3,000 millones de años luz de distancia, cuya fusión creó un objeto similar pero 50 veces la masa del Sol.

… [estos] agujeros negros podrían haber estado girando en direcciones opuestas, lo que ofrece importantísimas pistas sobre cómo nacen estos sistemas binarios. Es posible que estos […] se formaron en el Universo temprano y contribuyeron significativamente con materia oscura en el Cosmos.

Dice Susan Scott, jefa de investigación del Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery, de la Universidad Nacional de Australia, que a su vez forma parte del consorcio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), encargado del experimento-observatorio del mismo nombre.

LIGO anunció en febrero de 2016 el descubrimiento de la primer señal de ondas gravitacionales (se formó un agujero de 62 masas solares) y en junio la segunda (21 masas solares). Desde entonces han venido trabajando para mejorar los instrumentos y enriquecer el catálogo de esta fauna cósmica.

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Señal de GW170104, la onda gravitacional anunciada hoy. Fuente: LIGO/Phys. Rev. Lett. 118, 221101

El proceso de confirmación no es nada sencillo. Una vez que se detecta una señal que podría ser una onda gravitacional, se elaboran decenas de modelos, con diversos parámetros asociados con el par de agujeros negros, para comparar con la observación. Así, los investigadores proponen el escenario más sencillo y probable que explica la detección. Es una observación indirecta, sí, pero es un poco parecido al dicho: camina como pato, grazna como pato, se parece a un pato, entonces es…

LIGO es financiado por la National Science Foundation (NSF) de Estados Unidos y operado por el MIT y la Universidad de California (CalTech), pero también están involucrados instituciones de Alemania, Reino Unido y Australia. En total, más de 1,000 científicos e ingenieros alrededor del mundo trabajan en el proyecto, uno de los más ambiciosos y sorprendentes de la historia de la ciencia.

Para todos, la confirmación de las ondas gravitacionales demuestra que tenemos una ventana más en la astronomía. De ahora en adelante seguirá un intenso trabajo para asociar estas detecciones con algún tipo de radiación en el espectro electromagnético. En otras palabras, ver si estas fusiones producen rayos X, ultravioleta, visible u ondas de radio.