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El Sol de la Galaxia
Redacción
Es el indiscutido «Astro Rey» de la Vía Láctea.
El objeto espacial respecto del cual todo en la galaxia se arremolina. Posee una gravedad absoluta, hasta tal punto que el entramado del espacio-tiempo está profundamente distorsionado, de acuerdo a lo que nos enseña la Teoría de la Relatividad General. Por eso en sus inmediaciones es imposible dibujar líneas rectas, y el tiempo transcurre mucho más lento que lo “normal”. A este objeto, oscuro y fascinante, los astrónomos lo han bautizado como Sagitario A*. Desde el año 2002 se sabe que es bien real, y no una mera especulación teórica. Sin saberlo los humanos comenzamos a escribir su historia muchas décadas atrás.
n 1931 Karl Jansky, por entonces un investigador de Bell Telephone Laboratories, se encontraba investigando las fuentes de estática que podrían afectar las transmisiones radiales de voz. Bell Telephone desarrollaba por entonces un sistema basado en ondas cortas (longitudes de onda de aproximadamente 10-20 metros) para la transmisión de mensajes de voz a través del Atlántico.

Jansky construyó una antena diseñada para recibir ondas de radio a una frecuencia de
20,5 MHz (longitud de onda de unos 14,5 metros). Estaba montada sobre una plataforma giratoria que le permitía rotar en cualquier dirección. Mediante la rotación de la antena, se podía detectar la dirección de cualquier señal de radio (Figura 1). Después de estudiar cantidad de señales de radio por varios meses, Jansky pudo identificar tres tipos de estática:

1. Tormentas eléctricas locales, 2. Tormentas eléctricas distantes, y 3. Un silbido constante y débil de origen desconocido.

Jansky estuvo más de un año investigando el tercer tipo de estática. Este ruido aumentaba y disminuía de intensidad una vez al día, por eso, Jansky pensó en un primer momento que lo que estaba detectando era radiación proveniente del Sol.

Pero después de unos meses de monitorear la señal, el punto más brillante se alejó de la posición del Sol. La señal no se repetía cada 24 horas, sino cada 23 horas y 56 minutos. Esto es característico de las estrellas fijas, y otros objetos alejados de nuestro Sistema Solar. Finalmente, se dio cuenta que la radiación provenía de la Vía Láctea, y que era más fuerte en la dirección del centro de la galaxia, más precisamente en la constelación de Sagitario.
Karl Jansky realizando ajustes a su antena
Figura 1: Karl Jansky realizando ajustes a su antena, construida para estudiar la estática que había descubierto en sus investigaciones. Esta antena, que era llamada informalmente
“El Carrusel de Jansky”, bien merece ser considerada como el primer radiotelescopio del mundo.
(National Radio Astronomy Observatory) Click para ampliar!
Jansky deseaba seguir investigando con mayor detalle las ondas de radio de la Vía Láctea. Para tal fin le propuso a Bell Telephone construir una antena de 30 metros de diámetro. Pero Bell Telephone ya tenía la respuesta que había estado buscando: la estática no era un problema para las radiocomunicaciones transatlánticas. Jansky fue asignado a otro proyecto, y nunca más volvió a trabajar en el tema. De todos modos, investigadores como Grote Reber y John Kraus continuaron el trabajo iniciado por Jansky, y cimentaron las bases de una nueva disciplina, la Radioastronomía.

En la década de 1950, un físico ruso, Vitali L. Ginzburg, pudo explicar el origen de las señales de radio que Jansky y otros investigadores habían detectado. Se trataba de radiación producida por partículas cargadas muy energéticas o relativistas (esto es, que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz) cuando son aceleradas en presencia de un campo magnético. Este tipo de emisión electromagnética recibe el nombre de radiación sincrotón.

En 1969, Donald Lynden-Bell y Martin Rees propusieron que la Vía Láctea podría contener un agujero negro supermasivo en su centro. Pero existía un problema: en general todo en la Vía Láctea se mueve en el mismo plano galáctico, así que una mirada directa al centro de la misma es prácticamente imposible, debido a la presencia de polvo y gas interestelar que obstaculizan la luz visible. Entonces, ¿cómo se podía comprobar o refutar su existencia?

Hace 25 años, un astrónomo alemán, Reinhard Genzel, propuso estudiar el núcleo galáctico empleando en lugar de luz visible, luz infrarroja, que con su longitud de onda mayor puede atravesar el velo de polvo interestelar que oculta al corazón galáctico. Sin embargo, la luz infrarroja se ve seriamente afectada por la humedad atmosférica, razón por la cual Genzel decidió trasladarse al lugar más seco de la Tierra, el desierto de Atacama en Chile (Figura 2).

En 1992, Genzel y su equipo del Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) de Garching, Alemania, comenzaron en el European Southern Observatory (ESO) la titánica tarea de observar qué sucedía en el corazón de nuestra galaxia. Empleando los mejores recursos tecnológicos de este observatorio y una técnica llamada óptica adaptativa, que corrige gran parte de los defectos introducidos por la atmósfera terrestre en las imágenes capturadas con un telescopio, Genzel pudo observar en el centro de la galaxia un enjambre de estrellas apretujadas en torno a la fuente compacta de radio Sagitario A* (o Sgr A*).

Las observaciones de los primeros años demostraron que las estrellas cercanas al núcleo se movían a gran velocidad, un indicativo que algo muy denso y gravitatoriamente poderoso estaba allí. ¿La primer evidencia de la existencia de un agujero negro supermasivo en el corazón de la Vía Láctea?

Genzel siguió trabajando con admirable paciencia y asombrosa precisión. Utilizaría a algunas de las estrellas más cercanas al núcleo como partículas de prueba para, luego de haber determinado sus movimientos, inferir la masa del objeto invisible.

La idea en principio es sencilla, en palabras de Reinhard Genzel: “¿qué podemos hacer para ver algo o probar que algo existe si no podemos verlo? El agujero negro es algo que por definición no deja escapar luz, pero tiene gravedad. Pensemos en el Sistema Solar: el Sol está en el centro, y los planetas giran a su alrededor. Los planetas exteriores se mueven lentamente alrededor del Sol, los planetas más cercanos al Sol se mueven más rápido. Si apagáramos la luz del Sol deberíamos concluir que hay un objeto central de masa solar alrededor del cual giran los planetas. ¡Eso es lo que hacemos!”.
Reinhard Genzel
Figura 2: Reinhard Genzel comenzó en 1992 sus estudios del núcleo galáctico de la Vía Láctea. Desarrolló técnicas de observación que le permitieron registrar con precisión el movimiento de las estrellas más cercanas a Sagitario A*, una tarea equivalente a observar el movimiento de un objeto del tamaño de una moneda de un euro, a una distancia de
10 000 km. Asombroso. (University of Virginia)
En 2002 Genzel y su equipo del MPE publicaron los primeros resultados. Una estrella en particular, la llamada “S2” resultó de gran utilidad al equipo de astrónomos. Esta estrella, que es 15 veces más masiva y 7 veces más grande que nuestro Sol, es la más cercana a Sagitario A*. Se pudo determinar que tiene una órbita (estable) kepleriana, con la fuente de radio Sagitario A* en uno de los focos.

Hasta ese año los científicos habían podido trazar las 2/3 partes de su órbita. S2 alcanzó el punto orbital más cercano a Sgr A* en la primavera boreal de 2002. En ese momento estaba a solamente 17 horas-luz (1,836 x 1010 km) de la misteriosa fuente de radio, o unas tres veces la distancia Sol-Plutón. Se estaba moviendo a la sorprendente velocidad de 5000 km/s, o aproximadamente doscientas veces la velocidad de la Tierra en su órbita alrededor del Sol. El período orbital se estimó en 15,2 años. La órbita resultó estar bastante elongada, excentricidad 0,87. En el punto orbital más alejado de la masa central, S2 llega a estar a unos 10 días-luz (2,592 x 1011 km) de la misma.

De todo este cúmulo de datos, Genzel pudo determinar por primera vez que la invisible y misteriosa fuente de radio tenía una masa aproximada de 3 millones de masas solares, y que se encontraba a una distancia de nosotros de ~26 000 años-luz. Además, en el estudio de 2002 se excluyeron definitivamente otras configuraciones teóricamente posibles para
Sgr A*, como por ejemplo una aglomeración muy compacta de estrellas inusuales, confirmando de este modo su naturaleza de agujero negro supermasivo.

Pero Genzel y su equipo no se detuvieron ahí. Continuaron con sus observaciones directas del núcleo galáctico. En el año 2008 pudieron completar una revolución completa de S2 en torno a Sgr A*, lo cual requirió de un seguimiento continuado de 16 años empleando los mejores recursos tecnológicos del ESO. Se hizo el rastreo de 28 estrellas cercanas a Sgr A*, estimando con precisión sus órbitas. En relación a los estudios anteriores, se mejoró por un factor de seis la precisión con la que los astrónomos pudieron medir las posiciones de las estrellas. La precisión final fue de 300 microsegundos de arco. Algo así como ver una moneda de un euro desde una distancia de aproximadamente 10 000 km (Figura 3).

Por primera vez el número de órbitas estelares conocidas fue lo suficientemente grande como para buscar características comunes entre ellas. “Las estrellas de la región más interna tienen órbitas aleatorias, como un enjambre de abejas”, destacaría Stefan Gillessen, un investigador del equipo de Genzel. “Sin embargo, a mayor distancia, seis de las 28 estrellas orbitan al agujero negro en un disco. En este sentido, el nuevo estudio también ha confirmado explícitamente el trabajo anterior en el que se había hallado el disco, pero sólo en un sentido estadístico. Movimiento ordenado fuera del mes-luz central, órbitas orientadas al azar adentro – así es como se describe mejor la dinámica de las estrellas jóvenes en el centro galáctico”, concluyó Gillessen.

Según Reinhard Genzel, “el centro de la galaxia es un laboratorio único, en donde podemos estudiar los procesos fundamentales de la gravedad extrema, la dinámica estelar y la formación de estrellas, que son de gran relevancia para todos los núcleos galácticos, con un nivel de detalle que nunca sería posible (alcanzar) fuera de nuestra galaxia”. A lo que Stefan Gillessen agregaría, “El centro galáctico alberga al más cercano agujero negro supermasivo conocido. Por lo tanto, es el mejor lugar para estudiar en detalle dichos objetos”.

La observación de una órbita completa de S2 ha sido fundamental para el mejor entendimiento de esta región central. Sin embargo, todavía persiste el misterio del origen de las estrellas más cercanas. ¿Cómo llegaron allí? La pregunta proviene del hecho que son demasiado jóvenes como para haber emigrado desde lejos, e incluso es más improbable que se hayan formado en sus órbitas actuales debido a la monstruosa fuerza gravitacional del agujero negro central. Ya se están planificando futuras observaciones para poner a prueba varios modelos teóricos que tratan de resolver este enigma.
El corazón mismo de la Vía Láctea
Figura 3: El corazón mismo de la Vía Láctea, visto en luz infrarroja por el ESO. Al seguir los movimientos de las estrellas centrales por un período de más de 16 años, los astrónomos pudieron determinar la masa del agujero negro supermasivo (Sagitario A*) que se esconde allí. (ESO/S. Gillessen et al.) Click para ampliar!
El trabajo de 2008 también demostró que al menos el 95% de la masa detectada por las estrellas tiene que estar en el agujero negro central. Gracias a los nuevos datos, se estimó con muy buena precisión la masa de Sgr A*, que pasó a ser equivalente a aproximadamente 4,3 millones de masas solares. Esto de nuevo confirmaría la existencia de un “black hole” en el corazón mismo de nuestra galaxia. Las observaciones también permitieron a los astrónomos refinar la estimación de nuestra distancia al centro de la galaxia, calculada en aproximadamente 27 000 años-luz. El nuevo valor para la masa de Sgr A* ha sido corroborado por otro grupo de astrónomos que también estudia el núcleo galáctico, el UCLA Galactic Center Group, en California, EEUU.

En la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, toda masa tiene asociado un radio característico, el denominado radio de Schwarzschild. Este radio define a una esfera imaginaria, cuya superficie se denomina horizonte de sucesos. Dentro de esta esfera, ni la luz puede escapar de la atracción gravitatoria. ¡Por eso los agujeros negros son negros! En el centro de la esfera se dice que existe una singularidad, un punto del espacio-tiempo con densidad y curvatura infinitas.

En el caso de Sgr A* (masa ~4,3 millones de masas solares) el radio de Schwarzschild es de aproximadamente 12,8 millones de kilómetros (43 segundos-luz). Si nos pudiéramos acercar lo suficiente a Sgr A* (¡con cuidado para no tener un mal día!) veríamos precisamente a una esfera oscura con ese radio, quizás un poco resplandeciente por efectos de la denominada radiación de Hawking, debida a efectos cuánticos.

“Todavía esperamos mucho de ESO. Para futuros estudios de las inmediaciones del agujero negro, necesitamos una mayor resolución angular que la que actualmente podemos alcanzar”, concluye Genzel. De acuerdo a Frank Eisenhauer, investigador principal del instrumento de nueva generación Gravity, ESO pronto será capaz de obtener la resolución que tanto se necesita. “El próximo gran avance será combinar la luz de los cuatro grandes telescopios de 8,2 metros del VLT, mediante una técnica conocida como interferometría. Esto mejorará la precisión de las observaciones por un factor de 10 a 100 en relación a las actuales capacidades. Esta combinación tiene el potencial de comprobar directamente la Relatividad General de Einstein, en la región actualmente inexplorada cercana a un agujero negro”, concluye Eisenhauer.

Cuando esto ocurra, ¿seremos capaces de ver directamente la silueta del horizonte de sucesos de Sagitario A*?
Multimedia
Video 1: Secuencia de imágenes reales adquiridas con el VLT, y animaciones
2D y 3D que ilustran el movimiento de las estrellas alrededor
del agujero negro central de la Vía Láctea.
(European Southern Observatory/S. Gillessen, R. Genzel)
Video 2: Animación 3D de las estrellas más cercanas
que orbitan al agujero negro central Sagitario A*.
La estrella S2 completa una revolución en torno a
Sagitario A* en 15,8 años. En comparación, nuestro
Sol lo hace en 225-250 millones de años.
(Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics)
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Mendoza, Argentina, 21 de Noviembre de 2011.
Última actualización: 28/11/11
 
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