Ciencia: una estrella que viaja a una velocidad extrema podría revelar cómo gira el agujero negro de la Vía Láctea

Una estrella llamada S301 se convirtió en el objeto estelar más rápido y más cercano conocido hasta ahora alrededor de Sagitario A*, el agujero negro supermasivo situado en el centro de la Vía Láctea. Su comportamiento ofrece a los astrónomos una oportunidad excepcional para estudiar qué ocurre con el espacio y el tiempo en las proximidades de un objeto cuya masa equivale a unos 4,3 millones de veces la del Sol. El descubrimiento fue publicado en la revista científica Nature.

S301 no es una estrella particularmente grande. Tiene una masa estimada de 1,5 veces la del Sol, pero su trayectoria alrededor de Sagitario A* es extraordinaria. Completa una vuelta en apenas 8,7 años, mientras que otra estrella ampliamente estudiada en esa región, S2, necesita aproximadamente 16 años para completar su órbita.

La diferencia más impresionante aparece cuando S301 alcanza el punto más cercano a Sagitario A*. Allí puede desplazarse a unos 25.000 kilómetros por segundo, equivalentes a aproximadamente 90 millones de kilómetros por hora y cerca del 8% de la velocidad de la luz. Se trata de una velocidad que no tiene comparación con la de las estrellas conocidas en otras regiones de nuestra galaxia.

A pesar de esa cercanía, S301 no está cayendo hacia el agujero negro. Su trayectoria es una órbita extremadamente alargada y la estrella se mantiene fuera del horizonte de sucesos. En su aproximación máxima se encuentra a unas 12 unidades astronómicas de Sagitario A*, una distancia comparable, a escala del sistema solar, con la región donde se encuentra Saturno.

El verdadero valor del descubrimiento no está solamente en haber encontrado una estrella veloz. S301 funciona como una especie de sonda natural para estudiar la gravedad extrema. Al observar con precisión cómo se mueve alrededor de Sagitario A*, los científicos pueden detectar pequeñas alteraciones en su trayectoria producidas por la enorme curvatura del espacio-tiempo.

Durante décadas, la estrella S2 fue la principal herramienta para realizar este tipo de estudios. Sus observaciones permitieron confirmar efectos previstos por la relatividad general de Albert Einstein, entre ellos el corrimiento gravitacional de la luz y la llamada precesión de Schwarzschild, una modificación progresiva de la orientación de su órbita.

S301 permite ir un paso más allá porque se acerca considerablemente más al agujero negro. Cuanto menor es la distancia, más fuertes son determinados efectos relativistas y más fácil resulta detectarlos mediante observaciones astronómicas de alta precisión.

Uno de los objetivos más importantes es determinar el espín de Sagitario A*, es decir, la velocidad y características de su rotación. Hasta ahora, los científicos han podido establecer límites y realizar estimaciones indirectas, pero una medición dinámica basada en el movimiento de una estrella tan cercana podría proporcionar información mucho más precisa.

La rotación de un agujero negro tiene consecuencias sobre el espacio-tiempo que lo rodea. Según la relatividad general, un agujero negro en movimiento puede producir un efecto conocido como arrastre de marco, mediante el cual el espacio-tiempo cercano es afectado por la rotación del objeto.

Ese efecto es extremadamente difícil de detectar porque disminuye rápidamente a medida que aumenta la distancia. Por eso, una estrella como S301 resulta especialmente valiosa: su órbita la lleva mucho más cerca del agujero negro que las estrellas observadas anteriormente.

Los astrónomos podrán estudiar si la órbita de S301 presenta pequeñas desviaciones respecto de las predicciones realizadas mediante los modelos actuales. Si las mediciones coinciden con la relatividad general, se reforzará la precisión de las teorías existentes; si apareciera una desviación significativa, podría abrirse una ventana hacia nueva física.

La observación de S301 fue posible gracias al instrumento GRAVITY, instalado en el Very Large Telescope Interferometer del Observatorio Europeo Austral, en Chile. El sistema combina la información obtenida por varios telescopios para alcanzar una capacidad de observación mucho mayor que la que tendría un telescopio individual.

La detección tampoco surgió de una única observación reciente. Los investigadores revisaron información obtenida desde 2017 y utilizaron técnicas avanzadas de reconstrucción de imágenes para identificar la débil señal de S301 entre numerosas estrellas mucho más brillantes que se encuentran en el centro galáctico.

La estrella es tan tenue que su identificación representó un desafío considerable. La región alrededor de Sagitario A* está densamente poblada y contiene una enorme cantidad de fuentes luminosas, polvo y estructuras que dificultan distinguir objetos individuales.

La mejora de los instrumentos infrarrojos permitió separar esa señal y reconstruir la trayectoria de S301 con suficiente precisión como para determinar que se trataba de una estrella con una órbita extraordinariamente cercana.

Los cálculos indican además que su órbita experimenta una precesión de aproximadamente dos grados por vuelta. Esto significa que la elipse que describe alrededor del agujero negro no mantiene exactamente la misma orientación, sino que cambia progresivamente debido a los efectos gravitacionales extremos.

La trayectoria de S301 también puede aportar pistas sobre su propio pasado. Los investigadores consideran probable que haya formado parte de un sistema binario, es decir, un sistema compuesto originalmente por dos estrellas.

Cuando un sistema de este tipo se acerca demasiado a un agujero negro supermasivo, las fuerzas gravitatorias pueden separar las dos estrellas. Una de ellas puede quedar atrapada en una órbita alrededor del agujero negro mientras la otra es expulsada a velocidades enormes. Este proceso es conocido como mecanismo de Hills.

Si esa hipótesis se confirma, S301 sería el resultado de una interacción cósmica ocurrida en las proximidades del centro de la galaxia. Su actual velocidad y su órbita extremadamente alargada serían las huellas de aquel encuentro.

El descubrimiento también plantea una posibilidad interesante: S301 podría no ser una excepción aislada. Las simulaciones utilizadas por los investigadores indican que podrían existir alrededor de un centenar de estrellas similares en órbitas comparables alrededor de Sagitario A*, aunque muchas serían demasiado débiles para ser detectadas con la tecnología disponible actualmente.

Esto significa que el hallazgo podría ser el primero de una nueva población de estrellas utilizadas como herramientas para estudiar agujeros negros. A medida que los telescopios aumenten su sensibilidad, los astrónomos podrían encontrar más objetos de este tipo y comparar sus trayectorias.

La importancia científica va más allá de conocer mejor a Sagitario A*. Las estrellas que orbitan un agujero negro actúan como verdaderos laboratorios naturales para comprobar las leyes de la física en condiciones que no pueden reproducirse en la Tierra.

En esas regiones, la gravedad alcanza niveles extraordinarios y los efectos relativistas dejan de ser pequeñas correcciones para convertirse en elementos fundamentales de la trayectoria de los objetos.

Durante los próximos años, los investigadores continuarán siguiendo a S301. La información obtenida cuando la estrella cambie de posición dentro de su órbita permitirá aumentar progresivamente la precisión de los modelos y podría ayudar a determinar con mayor exactitud el comportamiento de Sagitario A*.

La próxima década será especialmente importante porque las observaciones futuras permitirán combinar las mediciones de posición de S301 con información espectroscópica sobre cómo cambia su luz mientras se acerca y se aleja de la Tierra.

El objetivo final es conseguir una medición directa del espín del agujero negro central de nuestra galaxia, algo que sería un avance significativo para la astrofísica.

Sagitario A* se encuentra a unos 27.000 años luz de la Tierra, por lo que todo lo que observamos ocurrió miles de años atrás desde nuestra perspectiva. Sin embargo, los instrumentos actuales permiten estudiar con una precisión cada vez mayor los movimientos de las estrellas que lo rodean.

El hallazgo de S301 demuestra hasta qué punto la astronomía moderna puede reconstruir fenómenos que ocurren en uno de los lugares más extremos del universo sin necesidad de observar directamente el agujero negro. Como estos objetos no emiten luz visible que permita verlos directamente, sus efectos sobre las estrellas y sobre el espacio que los rodea son una de las principales formas de conocerlos.

La estrella se convierte así en un mensajero natural que permite estudiar algo que permanece invisible. Su trayectoria contiene información sobre la masa, la gravedad y potencialmente la rotación del objeto que domina el centro de la Vía Láctea.

S301 no solo rompió un récord de velocidad: se convirtió en una de las mejores herramientas conocidas para investigar qué sucede alrededor de un agujero negro supermasivo. Su órbita extrema permitirá poner a prueba nuevamente las predicciones de Einstein y podría proporcionar, durante los próximos años, la información necesaria para medir por primera vez de manera directa el espín de Sagitario A*. En caso de aparecer alguna diferencia entre las observaciones y las predicciones de la relatividad general, esa pequeña desviación podría convertirse en una de las pistas más importantes sobre una nueva comprensión de la gravedad y de las leyes que gobiernan el universo.