El desplazamiento al rojo gravitacional en la estrella S2 alrededor de Sagitario A*

La teoría de la relatividad de Einstein predice el desplazamiento al rojo gravitacional de la luz emitida cerca de un campo gravitacional. El 19 de mayo de 2018 la estrella S2 alcanzó el periastro de su órbita alrededor del agujero negro supermasivo Sagitario A* en el centro de la Vía Láctea. Una oportunidad única que la Colaboración GRAVITY aprovechó para medir su desplazamiento al rojo gravitacional z hasta alcanzar más de 5 sigmas. En concreto, se obtiene f = 0.90 ± 0.09|stat ± 0.15|sys, donde z = zK + f (zE − zK), donde zK es la predicción según la teoría de Kepler–Newton (f=0) y zE es la de Einstein (f=1); siendo z = Δλ / λ ≈ 200 km/s/c.

Hace ya 26 años que se empezó a estudiar la órbita de la estrella S2 alrededor del agujero negro supermasivo de cuatro millones de masas solares en el centro de nuestra galaxia. Su periodo orbital es de 16.0518 años y la excentricidad de su órbita es 0.88466 ± 0.00018. En su periastro se encuentra a solo 120 UA ≈ 1400 radios de Schwarzschild de Sgr A*, alcanzando una velocidad de ≈ 7650 km/s, o sea β = v/c = 0.0255 (casi un 3% de la velocidad de la luz en el vacío). El instrumento GRAVITY está instalado en los cuatro telescopios de 8 metros del VLTI (Very Large Telescope Interferometer) en el Observatorio de Cerro Paranal, Chile, de ESO (European Southern Observatory). Realiza astrometría infrarroja de alta precisión en la banda K (2.2 μm).

El artículo es GRAVITY Collaboration, “Detection of the gravitational redshift in the orbit of the star S2 near the Galactic centre massive black hole,” Astronomy & Astrophysics 615: L15 (Jul 2018), doi: 10.1051/0004-6361/201833718; por cierto, la figura que abre esta entrada es una recreación artística aparecida en Alexandra Witze, “Milky Way’s black hole provides long-sought test of Einstein’s general relativity,” Nature 560: 17 (26 Jul 2018), doi: 10.1038/d41586-018-05825-3. En español recomiendo “Probada la relatividad general de Einstein cerca de un agujero negro supermasivo,” Agencia SINC, 26 Jul 2018.

Este vídeo muestra las estrellas que orbitan el entorno de Sgr A* durante 20 años. Estas estrellas se llevan siendo estudiadas desde 1992 por dos equipos de astrónomos. Por un lado, el de Reinhard Genzel (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Alemania), investigador principal de la Colaboración GRAVITY, que usa el VLTI de ESO en Chile, a la que pertenecen astrónomos de Alemania, Francia, Portugal, Suiza, Países Bajos, Estados Unidos, Irlanda y España. Y por otro lado, el de Andrea Ghez (University of California, Los Angeles, EE UU), que usa los telescopios Keck en Hawaii. El equipo de Ghez aún no ha publicado su análisis del periastro (también llamado pericentro), que pretende publicar a finales de este año. En mi opinión, él (Genzel) y ella (Ghez) son firmes candidatos al Premio Nobel de Física por sus estudios del agujero negro supermasivo Sgr A*.

La órbita de la estrella S2 alrededor de Sgr A* ha sido estudiada por cuatro instrumentos instalados en VLT(I): SHARP, NACO, GRAVITY y SINFONI; entre 1992 y 2002 se usó el instrumento SHARP, entre 2002 y 2018 el instrumento NACO, entre 2003 y 2018 el espectrómetro SINFONI y entre 2016 y 2018 el instrumento GRAVITY. Las imágenes de la estrella S2 en el instrumento GRAVITY están elongadas (son elipses en lugar de círculos) debido a la forma del haz del interfereómetro VLTI.

Esta figura muestra la órbita de la estrella S2 alrededor de Sgr A* desde 1992 hasta 2018 (proyectada en el cielo conforme se observa desde la Tierra, por eso Sgr A* no está en un foco de la elipse). El paso de S2 por el periastro en el año 2002 no pudo ser seguido con detalle por los astrónomos. El nuevo análisis de Genzel y su equipo se basa en la región de la órbita de S2 en la que se alcanza la máxima velocidad vista desde la Tierra, que ocurrió en abril. A finales de agosto y principios de septiembre se alcanzará la mínima velocidad vista desde la Tierra. El análisis de Ghez y su equipo pretende usar todos estos hitos de 2018 en su análisis (por eso aún no se ha publicado).

Esta figura muestra la velocidad residual z − zK, donde zK se ha obtenido ajustando los datos de la órbita entre 1992 y 2018 según la teoría de Newton (órbita kepleriana) y z es el valor estimado según las observaciones. La diferencia permite estimar el factor f y verificar la predicción de Einstein. Un análisis estadístico bayesiano favorece la órbita relativista (f = 1) sobre la órbita kepleriana (f = 0) a un nivel de confianza de ≈ 10 σ (solo con los datos de NACO y SINFONI solo se logra estimar f = 0.71 ± 0.19, es decir, una confianza estadística de 3.6 σ).

En resumen, otra preciosa verificación de la teoría de Einstein. El siguiente hito será la observación de la precesión del periastro de la estrella S2, similar a la precesión del perihelio de Mercurio. Los equipos de Genzel y Ghez pretenden publicarlo a finales de este año. Así que habrá que estar al tanto.



5 Comentarios

  1. Hola Francis! Me encantan tus artículos. Yo, humildemente, vengo a añadir que un español (yo) ha hecho una gran parte del láser IR que está en el corazón del instrumento GRAVITY con el que se han hecho las medidas. Así podrás añadir España a la lista de colaboradores!

      1. ¡Sí! Todo se hizo a través de Extraterrestrische Physik con Eisenhauer y Gillessen. Estuve cuatro años en Alemania haciendo láseres y este fue el último gran proyecto en el que trabajé, tuve hasta la suerte de ir dos veces al observatorio de Paranal para hacer la implementación del sistema.

        Por añadir, hay varios españoles allí. Imagino que el idioma ayuda, además de la experiencia que tienen algunos de trabajar en el IAF de Canarias. Desde astrónomos para manejo de los instrumentos hasta la jefa de instrumentación.

  2. Muy buen reportaje. Gracias por el detalle de las ecuaciones. Con el dato de Sigma puedo dimensionar el hayazgo. Y ademas, con todos estos anexos se tiene claro el escenario. Un crack!

    Gracias de este autodidacta.

    PD: pf sigue asi. Aunq aun me falte largo camino con las ecuaciones…

  3. Esperaba comparaciones con las predicciones de otras teorías alternativas a Einstein.
    ¿Esto modifica o refuta otras teorías gravitacionales?
    ¿Einstein ganó por goleada? 🙂

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 2 agosto, 2018
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