La teoría de la relatividad y el centro galáctico

Gaston Giribet. Center for Cosmology and Particle Physics de New York University, Universidad de Buenos Aires y CONICET.

La vía láctea, galáctica espiral de la que nuestro sistema solar forma modesta parte, alberga en su centro un enorme agujero negro cuya masa es cuatro millones de veces superior a la de nuestro sol. Sus coordenadas ubican al astro central en la región del cielo que los antiguos convinieron en llamar la constelación de Sagitario, hecho que explica en parte su nombre: Sagittarius A.

Cientos de miles de millones de estrellas forman las aspas de la galaxia. Cientos de miles de millones de soles arremolinados en torno a un eje común. Algunas de esas estrellas, las más cercanas al centro, orbitan en torno a Sagittarius A zamarreadas por el intenso campo gravitatorio que éste genera. Una de esas estrellas, llamada S2, es la protagonista de esta historia.

S2 tiene la masa equivalente a la de diez soles como el nuestro. Sisífica, circunda al agujero negro del centro galáctico trazando una órbita cuasi-elíptica que completa y repite al cabo de dieciséis años. Los astrónomos vienen siguiendo el movimiento de S2 con perseverancia desde 1992; una tarea que al día de hoy, luego de veintiséis años de observación, los ha dotado de un registro detallado de su trayectoria. Esto, junto con la proximidad que S2 alcanza con Sagittarius A, hace de esta estrella la candidata perfecta para poner a prueba nuestras teorías acerca de qué ocurre en el centro galáctico, esa región distante en la que nacen estrellas y anida un gigante.

Esto nos permite, en particular, testar varias de las predicciones de la teoría de la relatividad. Según la teoría de la relatividad general, formulada por Einstein en 1915, el tiempo transcurre más lento en las regiones en las cuales el campo gravitatorio es más intenso. Y en la proximidad de un agujero negro como Sagittarius A el campo gravitatorio alcanza una intensidad tal que el tiempo, allí, se enlentece apreciablemente. La forma en la que dicha dilatación temporal puede ser medida es mediante la observación del color de la luz proveniente de esas regiones de intensa gravedad: La luz es una onda, y el color es la forma en la que las ondas de luz expresan el paso del tiempo. La luz de color violeta, por ejemplo, corresponde a una vibración de setecientos billones de veces por segundo, mientras que la luz de color rojo corresponde a una vibración de cuatrocientos billones de veces por segundo, poco más que la mitad.

Debido a esto, la luz que nos llega de los procesos físicos que acaecen en regiones donde la gravedad es más intensa y, por lo tanto, donde el tiempo fluye más lento, ha de ser de un tinte más rojizo que el esperado. En otras palabras, el tiempo transcurrido entre dos oscilaciones de una onda de luz generada por un dado proceso físico es mayor donde la gravedad es más intensa, lo que se traduce en que recibimos de allí menos oscilaciones por cada segundo de los que nuestros relojes terrestres marcan. Este efecto se denomina “corrimiento al rojo gravitatorio”.

Al corrimiento al rojo se le suma un segundo efecto, también predicho por Einstein. Éste recibe el nombre de “efecto Doppler transversal”, aunque poco tiene que ver con el efecto Doppler usual que conocemos para las ondas acústicas emitidas por fuentes que se acercan o alejan. Según la teoría de la relatividad especial, de 1905, el tiempo también transcurre más lento para los cuerpos que llevan grandes velocidades, velocidades tales como los vertiginosos veinticinco millones de kilómetros por hora que S2 alcanza en su orbitar cerca de Sagittarius A. Así, según la teoría, en el caso de S2 el efecto de corrimiento al rojo gravitatorio y el efecto Doppler transversal deberían potenciarse y dotar a la estrella de un sospechoso tinte rojizo al encontrarse ésta en el periastro de su órbita.

Fue precisamente ese ligero corrimiento al rojo en la luz emitida por S2 lo que los astrónomos del Observatorio Europeo en el Sur (ESO) se dispusieron a observar en mayo de 2018, momento en que la estrella se encontró en su punto más cercano al gigante Sagittarius A. Una observación astronómica de esta naturaleza requiere una precisión inédita. Si bien el radio de la órbita de la estrella en su punto de acercamiento máximo al agujero negro es de unos veinte mil millones de kilómetros, esa distancia empalidece ante los veintiséis mil años luz que separan el centro galáctico de la Tierra.

Esto hace que pretender observar la órbita de S2 con suficiente detalle demande el abuso de cuatro grandes telescopios operando en tándem para formar, así, un gran telescopio resultante. Las señales de los cuatro telescopios se combinan en un sofisticado sistema óptico, denominado GRAVITY, especialmente diseñado para la empresa -y se emplean otros sistemas, como el denominado SINFONI-. Esta tecnología le permitió al grupo del Instituto Max Planck de Alemania liderado por Reinhard Genzel obtener una sensibilidad única y, gracias a esto, un resultado contundente: Al pasar cerca del agujero negro del centro galáctico la estrella S2 se mostró sonrojada, en perfecta concordancia con las predicciones de la teoría de Einstein.

Referencias:

1. "Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole", R. Abuter et al., GRAVITY Collaboration, Astronomy and Astrophysics 615 (2018) L15.  

2. "Milky Way’s black hole provides long-sought test of Einstein’s general relativity", en Nature, July 26th 2018.