Un agujero negro supermasivo vuelve a dar la razón a Einstein

¿Qué ocurre cuando una estrella tiene un encuentro cercano con un agujero negro supermasivo? Que da a los astrónomos la oportunidad de poner a Einstein a prueba.

Mediante el estudio del comportamiento de una estrella que da vueltas alrededor del agujero negro del centro de nuestra galaxia, los científicos han confirmado que el intenso campo gravitatorio del objeto frena la luz estelar y provoca un retraso perceptible en su viaje a través del cosmos. Esta medición es la mejor manera de poner a prueba una de las predicciones fundamentales de la teoría de la relatividad general de Einstein, que sugiere que la luz perderá energía al intentar desplazarse a través un campo gravitatorio extremo.

«Este tipo de experimento es la primera prueba directa del funcionamiento de la gravedad cerca de un agujero negro supermasivo», afirma Andrea Ghez, astrónoma de la Universidad de California en Los Ángeles cuyo equipo ha publicado los resultados en la revista Science. «La gravedad es importantísima, tanto para la comprensión del universo como en nuestras vidas cotidianas».

Algún día, los astrónomos esperan hallar pruebas de que la relatividad general no funciona en entornos gravitatorios extremos, ya que eso daría cabida a la posibilidad de nuevos tipos de físicas que podrían resolver algunos de los grandes misterios de nuestra comprensión del universo.

Con todo, por ahora parece que Einstein estaba en lo cierto (otra vez) y que las teorías alternativas de la gravedad, entre ellas una desarrollada por Isaac Newton, quedan descartadas.

Un conjunto de datos enorme

Como describe la relatividad general, lo que percibimos como gravedad es el resultado de la masa de un objeto que curva el tejido del espacio-tiempo. La teoría también sostiene que la gravedad afecta incluso a la luz y que los objetos muy masivos distorsionan cualquier luz que se desplace en torno a ellos. La observación más famosa del efecto se produjo durante un eclipse solar en 1919, lo que convirtió la relatividad general en un pilar de la ciencia.

Por eso los astrónomos están tan emocionados con el cúmulo de estrellas que orbita el agujero negro supermasivo del núcleo de nuestra galaxia, un monstruo con la masa de cuatro millones de soles denominado Sagitario A*, o SgrA* para abreviar. Este gigante se encuentra a unos 26 000 años luz de la Tierra y se oculta tras un telón de gas y polvo.

La estrella de este espectáculo se llama S0-2 y pasa a toda velocidad alrededor del agujero negro supermasivo de la Vía Láctea, completando una órbita ovalada en solo 16 años. En su acercamiento máximo a SgrA*, la estrella atraviesa el estrella a aproximadamente 25 millones de kilómetros por hora, o casi el tres por ciento de la velocidad de la luz.

«Estas cosas cambian en una vida humana», afirma Ghez. «Las constelaciones que observamos han sido las mismas durante toda la historia humana. Pero en el centro de la galaxia, como reina un campo gravitatorio tan intenso, las estrellas se mueven».

Como su órbita es ovalada, la S0-2 pasa de estar muy cerca a estar muy lejos del agujero negro central de la galaxia. Ghez y sus colegas querían estudiar el acercamiento máximo de la S0-2 a Sagitario A*, que se produjo en mayo del año pasado. Entre marzo y septiembre, el equipo tomó mediciones precisas del movimiento de la estrella por el espacio empleando una serie de telescopios en Chile y en el volcán hawaiano Mauna Kea.

«Hay que conocer la forma de la órbita de forma inequívoca», afirma Ghez. «En su máximo acercamiento, cuando la estrella experimenta el campo gravitatorio más intenso, es donde se puede poner a prueba la teoría de la relatividad general de Einstein».

Los científicos añadieron esos últimos datos a un conjunto de observaciones recopiladas desde 1995. La información combinada les permitió computar la órbita completa de la S0-2 en tres dimensiones.

Desplazamiento al rojo gravitatorio

Para poner a prueba la relatividad general, el equipo combinó las mediciones de la posición de la estrella en el espacio con las observaciones de su movimiento a lo largo de la línea visual de la Tierra para medir un efecto denominado desplazamiento al rojo gravitatorio.

La explicación sencilla es que, cuando la S0-2 está más cerca de SgrA*, el agujero negro actúa como un badén y ralentiza la luz de la estrella conforme se desplaza por el cosmos. El efecto se manifiesta en forma de estiramiento de la luz de la S0-2 hacia longitudes de onda más rojas y menos energéticas.

«Básicamente, el desplazamiento al rojo gravitatorio está codificado en la espectroscopia», explica Ghez, que indica que la luz de la estrella S0-2 se ralentiza unos 201 kilómetros por segundo, algo que predicen las ecuaciones de Einstein para un objeto con el peso gravitacional de SgrA*. Además, el trabajo determina con mayor precisión la masa y la distancia de SgrA*.

Los científicos ya habían puesto a prueba de esta forma la relatividad general. Los campos gravitatorios más débiles de nuestro propio sistema solar y en torno a los cadáveres giratorios de las estrellas, denominados púlsares, poseen el mismo efecto. Los satélites de posicionamiento global deben ajustarse continuamente por los efectos relativistas de la gravedad de la Tierra y, sin dichas correcciones, uno no podría desplazarse con una aplicación de mapas.

Asimismo, el equipo GRAVITY, con sede en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre de Alemania, ha estudiado durante décadas el centro de la galaxia y el año pasado, la colaboración anunció que había detectado ese mismo desplazamiento al rojo gravitatorio en la luz de la S0-2 descrito por el equipo de Ghez.

Las dos mediciones coinciden, lo que apunta a que la gravedad concuerda con la teoría de Einstein en lugar de con un modelo newtoniano, pero difieren en los detalles. Ghez sospecha que los errores sistemáticos provocados por el instrumental y los marcos de referencia explican las disparidades y, según ella, mientras los equipos siguen estudiando el centro galáctico, será cada vez más importante eliminar dichos errores.

Frank Eisenhauer, investigador principal de GRAVITY, afirma que es maravilloso ver nuevas mediciones independientes y la confirmación del desplazamiento al rojo gravitatorio. Para él, los resultados demuestran que la bestia supermasiva del centro de nuestra galaxia sigue siendo un punto importante para descifrar la física de los agujeros negros y la teoría de la gravedad.

«El futuro de la investigación del centro galáctico es muy prometedor», afirma.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.