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Sagitario A*

Sagitario A* , abreviado como Sgr A* ( / ˈsædʒˈeɪstɑːr / SADGE - AY -estrella [ 3] ), es el agujero negro supermasivo [ 4 ] [5] [6] en el centro galáctico de la Vía Láctea . Visto desde la Tierra, se encuentra cerca del límite de las constelaciones de Sagitario y Escorpio , aproximadamente a 5,6° al sur de la eclíptica , [7] visualmente cerca del Cúmulo de la Mariposa (M6) y Lambda Scorpii .

El objeto es una fuente de radio astronómica brillante y muy compacta . El nombre Sagitario A* distingue a la fuente compacta de la región más grande (y mucho más brillante) Sagitario A (Sgr A) en la que está incrustada. Sgr A* fue descubierto en 1974 por Bruce Balick  [de] y Robert L. Brown, [8] [9] y el asterisco * fue asignado en 1982 por Brown, [10] quien entendió que la emisión de radio más fuerte del centro de la galaxia parecía deberse a un objeto de radio compacto no térmico.

Las observaciones de varias estrellas que orbitan alrededor de Sagitario A*, en particular la estrella S2 , se han utilizado para determinar la masa y los límites superiores del radio del objeto. Basándose en la masa y en límites de radio cada vez más precisos, los astrónomos han llegado a la conclusión de que Sagitario A* debe ser el agujero negro supermasivo central de la Vía Láctea. [11] La mejor estimación actual de su masa es de 4,297 ± 0,012 millones de masas solares . [2]

Reinhard Genzel y Andrea Ghez recibieron el Premio Nobel de Física 2020 por su descubrimiento de que Sagitario A* es un objeto compacto supermasivo, para el cual un agujero negro era la única explicación plausible en ese momento. [12]

En mayo de 2022, los astrónomos publicaron la primera imagen del disco de acreción alrededor del horizonte de Sagitario A*, confirmando que se trata de un agujero negro, utilizando el Event Horizon Telescope , una red mundial de observatorios de radio. [13] Esta es la segunda imagen confirmada de un agujero negro, después del agujero negro supermasivo de Messier 87 en 2019. [14] [15] No se ve el agujero negro en sí, solo los objetos cercanos cuyo comportamiento está influenciado por el agujero negro. La energía de radio e infrarroja observada emana del gas y el polvo calentados a millones de grados mientras caen en el agujero negro. [16]

Observación y descripción

Sagitario A* en la constelación de Sagitario. El agujero negro está marcado con un círculo rojo dentro de la constelación de Sagitario (El Arquero). Este mapa muestra la mayoría de las estrellas visibles a simple vista en buenas condiciones.
El diámetro de Sagitario A* es menor que la órbita de Mercurio .

El 12 de mayo de 2022, la Event Horizon Telescope Collaboration publicó la primera imagen de Sagitario A* . La imagen, que se basa en datos de radiointerferómetro tomados en 2017, confirma que el objeto contiene un agujero negro. Esta es la segunda imagen de un agujero negro. [14] [17] Esta imagen tardó cinco años de cálculos en procesarse. [18] Los datos fueron recopilados por ocho observatorios de radio en seis sitios geográficos. Las imágenes de radio se producen a partir de datos mediante síntesis de apertura , generalmente de observaciones nocturnas de fuentes estables. La emisión de radio de Sgr A* varía en el orden de minutos, lo que complica el análisis. [19]

Su resultado proporciona un tamaño angular general para la fuente de51,8 ± 2,3  μas . [17] A una distancia de 26.000 años luz (8.000 parsecs ), esto produce un diámetro de 51,8 millones de kilómetros (32,2 millones de millas). [a] A modo de comparación, la Tierra está a 150 millones de kilómetros (1,0 unidad astronómica ; 93 millones de millas ) del Sol , y Mercurio está a 46 millones de km (0,31 UA; 29 millones de millas) del Sol en el perihelio . El movimiento propio de Sgr A* es de aproximadamente −2,70  mas por año para la ascensión recta y −5,6 mas por año para la declinación . [20] [21] [22] La medición del telescopio de estos agujeros negros puso a prueba la teoría de la relatividad de Einstein de forma más rigurosa que antes, y los resultados coinciden perfectamente. [15]

En 2019, las mediciones realizadas con la cámara de banda ancha aerotransportada de alta resolución Plus (HAWC+) montada en el avión SOFIA [23] revelaron que los campos magnéticos hacen que el anillo circundante de gas y polvo, cuyas temperaturas varían de −280 a 17 500 °F (99,8 a 9977,6 K; −173,3 a 9704,4 °C), [24] fluya hacia una órbita alrededor de Sagitario A*, manteniendo bajas las emisiones de los agujeros negros. [25]

Los astrónomos no han podido observar Sgr A* en el espectro óptico debido al efecto de 25 magnitudes de extinción (absorción y dispersión) por polvo y gas entre la fuente y la Tierra. [26]

Historia

En abril de 1933, Karl Jansky , considerado uno de los padres de la radioastronomía, descubrió que una señal de radio provenía de un lugar en la dirección de la constelación de Sagitario, hacia el centro de la Vía Láctea. [27] La ​​fuente de radio más tarde se conocería como Sagitario A. Sus observaciones no se extendieron tan al sur como ahora sabemos que es el Centro Galáctico. [28] Las observaciones de Jack Piddington y Harry Minnett utilizando el radiotelescopio CSIRO en Potts Hill Reservoir , en Sydney descubrieron una fuente de radio discreta y brillante "Sagitario-Escorpio", [29] que después de una observación adicional con el radiotelescopio CSIRO de 80 pies (24 metros) en Dover Heights fue identificado en una carta a Nature como el probable Centro Galáctico. [30]

Observaciones posteriores mostraron que Sagitario A en realidad consiste en varios subcomponentes superpuestos; un componente brillante y muy compacto, Sgr A*, fue descubierto el 13 y 15 de febrero de 1974 por Balick y Robert L Brown utilizando el interferómetro de referencia del Observatorio Nacional de Radioastronomía . [31] [32] El nombre Sgr A* fue acuñado por Brown en un artículo de 1982 porque la fuente de radio era "excitante", y los estados excitados de los átomos se denotan con asteriscos. [33] [34]

Desde la década de 1980, ha sido evidente que el componente central de Sgr A* es probablemente un agujero negro. En 1994, estudios de espectroscopia infrarroja y submilimétrica realizados por un equipo de Berkeley en el que participaron el Premio Nobel Charles H. Townes y el futuro Premio Nobel Reinhard Genzel demostraron que la masa de Sgr A* estaba muy concentrada y era del orden de 3 millones de soles. [35]

El 16 de octubre de 2002, un equipo internacional dirigido por Reinhard Genzel en el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre informó de la observación del movimiento de la estrella S2 cerca de Sagitario A* a lo largo de un período de diez años. Según el análisis del equipo, los datos descartaron la posibilidad de que Sgr A* contuviera un cúmulo de objetos estelares oscuros o una masa de fermiones degenerados , lo que reforzó la evidencia de un agujero negro masivo. Las observaciones de S2 utilizaron interferometría de infrarrojo cercano (NIR) (en la banda Ks, es decir, 2,1  μm ) debido a la reducción de la extinción interestelar en esta banda. Se utilizaron máseres de SiO para alinear las imágenes NIR con las observaciones de radio, ya que pueden observarse tanto en bandas NIR como de radio. El rápido movimiento de S2 (y otras estrellas cercanas) se destacó fácilmente contra las estrellas de movimiento más lento a lo largo de la línea de visión, por lo que pudieron restarse de las imágenes. [36] [37]

La nube de polvo G2 pasa por el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. [38] Composición de imágenes tomadas en diferentes momentos para mostrar el movimiento; coloreadas en azul cuando se acercan al observador, en rojo cuando se alejan; el tiempo se muestra de izquierda a derecha. La cruz roja marca el agujero negro.

Las observaciones de radio VLBI de Sagitario A* también pudieron alinearse centralmente con las imágenes NIR, por lo que se descubrió que el foco de la órbita elíptica de S2 coincidía con la posición de Sagitario A*. Al examinar la órbita kepleriana de S2, determinaron que la masa de Sagitario A* era4,1 ± 0,6 millones de masas solares , confinado en un volumen con un radio no mayor a 17 horas luz (120  UA  [18  mil millones  de km ; 11 mil millones  de mi ]). [39] Observaciones posteriores de la estrella S14 mostraron que la masa del objeto era de aproximadamente 4,1 millones de masas solares dentro de un volumen con un radio no mayor a 6,25 horas luz (45 UA [6,7 mil millones de km; 4,2 mil millones de mi]). [40] S175 pasó a una distancia similar. [41] A modo de comparación, el radio de Schwarzschild es de 0,08 UA (12 millones de km; 7,4 millones de mi). También determinaron la distancia de la Tierra al centro galáctico (el centro de rotación de la Vía Láctea), que es importante para calibrar las escalas de distancia astronómicas, como 8.000 ± 600 parsecs (30.000 ± 2.000 años luz ). En noviembre de 2004, un equipo de astrónomos informó del descubrimiento de un potencial agujero negro de masa intermedia , conocido como GCIRS 13E , que orbita a 3 años luz de Sagitario A*. Este agujero negro de 1.300 masas solares se encuentra dentro de un cúmulo de siete estrellas. Esta observación puede agregar apoyo a la idea de que los agujeros negros supermasivos crecen absorbiendo agujeros negros y estrellas cercanas más pequeñas. [ cita requerida ]

Después de monitorear las órbitas estelares alrededor de Sagitario A* durante 16 años, Gillessen et al. estimaron la masa del objeto en4,31 ± 0,38 millones de masas solares. El resultado se anunció en 2008 y se publicó en The Astrophysical Journal en 2009. [42] Reinhard Genzel , líder del equipo de investigación, dijo que el estudio ha proporcionado "lo que ahora se considera la mejor evidencia empírica de que los agujeros negros supermasivos realmente existen. Las órbitas estelares en el centro galáctico muestran que la concentración de masa central de cuatro millones de masas solares debe ser un agujero negro, más allá de cualquier duda razonable". [43]

El 5 de enero de 2015, la NASA informó haber observado una llamarada de rayos X 400 veces más brillante de lo habitual, un récord, procedente de Sgr A*. El inusual evento podría haber sido causado por la desintegración de un asteroide que cayó en el agujero negro o por el entrelazamiento de líneas de campo magnético dentro del gas que fluye hacia Sgr A*, según los astrónomos. [44]

El 13 de mayo de 2019, los astrónomos que utilizan el Observatorio Keck presenciaron un aumento repentino del brillo de Sgr A*, que se volvió 75 veces más brillante de lo habitual, lo que sugiere que el agujero negro supermasivo puede haber encontrado otro objeto. [45]

En junio de 2023, se encontraron filamentos inexplicables de energía de radio asociados con Sagitario A*. [46]

Agujero negro central

NuSTAR ha capturado estas primeras imágenes enfocadas del agujero negro supermasivo en el corazón de la Vía Láctea en rayos X de alta energía.

En un artículo publicado el 31 de octubre de 2018 se anunció el descubrimiento de evidencia concluyente de que Sagitario A* es un agujero negro. Utilizando el interferómetro GRAVITY y los cuatro telescopios del Very Large Telescope (VLT) para crear un telescopio virtual de 130 metros (430 pies) de diámetro, los astrónomos detectaron cúmulos de gas que se movían a aproximadamente el 30% de la velocidad de la luz. La emisión de electrones altamente energéticos muy cerca del agujero negro fue visible en forma de tres llamaradas brillantes prominentes. Estas coinciden exactamente con las predicciones teóricas para puntos calientes que orbitan cerca de un agujero negro de cuatro millones de masas solares. Se cree que las llamaradas se originan a partir de interacciones magnéticas en el gas muy caliente que orbita muy cerca de Sagitario A*. [16] [48]

En julio de 2018, se informó que S2 orbitando Sgr A* se había registrado a 7650 km/s (17,1 millones de mph), o 2,55 % de la velocidad de la luz , lo que llevó al acercamiento al pericentro , en mayo de 2018, a aproximadamente 120  UA (18  mil millones  de km ; 11 mil millones  de mi ) (aproximadamente 1400 radios de Schwarzschild ) de Sgr A*. A esa distancia cercana al agujero negro, la teoría de la relatividad general (RG) de Einstein predice que S2 mostraría un corrimiento al rojo gravitacional discernible además del corrimiento al rojo de velocidad habitual; el corrimiento al rojo gravitacional se detectó, de acuerdo con la predicción de la RG dentro de la precisión de medición del 10 por ciento. [49] [50]

Suponiendo que la relatividad general sigue siendo una descripción válida de la gravedad cerca del horizonte de sucesos, las emisiones de radio de Sagitario A* no están centradas en el agujero negro, sino que surgen de un punto brillante en la región alrededor del agujero negro, cerca del horizonte de sucesos, posiblemente en el disco de acreción , o un chorro relativista de material expulsado del disco. [51] Si la posición aparente de Sagitario A* estuviera exactamente centrada en el agujero negro, sería posible verlo magnificado más allá de su tamaño, debido al efecto de lente gravitacional del agujero negro. Según la relatividad general , esto daría como resultado una estructura similar a un anillo, que tiene un diámetro de aproximadamente 5,2 veces el radio de Schwarzschild del agujero negro (10 μas). Para un agujero negro de alrededor de 4 millones de masas solares, esto corresponde a un tamaño de aproximadamente 52  μas , lo que es consistente con el tamaño general observado de aproximadamente 50 μas, [51] siendo el tamaño (diámetro aparente) del propio agujero negro Sgr A* de 20 μas.

Recientes observaciones de menor resolución revelaron que la fuente de radio de Sagitario A* es simétrica. [52] Las simulaciones de teorías alternativas de la gravedad muestran resultados que pueden ser difíciles de distinguir de la RG. [53] Sin embargo, un artículo de 2018 predice una imagen de Sagitario A* que concuerda con observaciones recientes; en particular, explica el pequeño tamaño angular y la morfología simétrica de la fuente. [54]

La masa de Sagitario A* se ha estimado de dos maneras diferentes:

  1. Dos grupos, en Alemania y Estados Unidos, monitorearon las órbitas de estrellas individuales muy cercanas al agujero negro y utilizaron las leyes de Kepler para inferir la masa encerrada. El grupo alemán encontró una masa de4,31 ± 0,38 millones de masas solares, [42] mientras que el grupo estadounidense encontró4,1 ± 0,6 millones de masas solares. [40] Dado que esta masa está confinada dentro de una esfera de 44 millones de kilómetros de diámetro, esto da como resultado una densidad diez veces mayor que las estimaciones anteriores. [ cita requerida ]
  2. Más recientemente, la medición de los movimientos propios de una muestra de varios miles de estrellas a aproximadamente un parsec del agujero negro, combinada con una técnica estadística , ha producido una estimación de la masa del agujero negro en3.6+0,2
    -0,4    × 10 6     M ☉ , más una masa distribuida en el parsec central que asciende a(1 ± 0,5) × 10 6 M ☉ . [55] Se cree que este último está compuesto de estrellas y remanentes estelares . [ cita requerida ]
Descubren magnetar muy cerca del agujero negro supermasivo Sagitario A*, en el centro de la Vía Láctea

La masa comparativamente pequeña de este agujero negro supermasivo , junto con la baja luminosidad de las líneas de emisión de radio e infrarrojos, implican que la Vía Láctea no es una galaxia Seyfert . [26]

En definitiva, lo que se ve no es el agujero negro en sí, sino observaciones que sólo son consistentes si hay un agujero negro presente cerca de Sgr A*. En el caso de un agujero negro de este tipo, la energía de radio e infrarroja observada emana de gas y polvo calentados a millones de grados mientras caen en el agujero negro. [16] Se cree que el agujero negro en sí emite sólo radiación de Hawking a una temperatura despreciable, del orden de 10 −14 kelvin . [ cita requerida ]

El observatorio de rayos gamma INTEGRAL de la Agencia Espacial Europea observó rayos gamma interactuando con la cercana nube molecular gigante Sagitario B2 , lo que provocó la emisión de rayos X desde la nube. La luminosidad total de esta explosión ( L ≈1,5 × 10 Se estima que la emisión actual de Sgr A* (39 erg/s) es un millón de veces más fuerte que la de Sgr A* y es comparable con un núcleo galáctico activo típico . [56] [57] En 2011, esta conclusión fue apoyada por astrónomos japoneses que observaron el centro de la Vía Láctea con el satélite Suzaku . [58]

En julio de 2019, los astrónomos informaron haber encontrado una estrella, S5-HVS1 , que viaja a 1755 km/s (3,93 millones de mph) o 0,006 c . La estrella está en la constelación de Grus (o Grulla) en el cielo del sur, y a unos 29 000 años luz de la Tierra, y puede haber sido impulsada fuera de la galaxia de la Vía Láctea después de interactuar con Sagitario A*. [59] [60]

Se han dado varios valores [61] [62] para su parámetro de espín ; algunos ejemplos son Fragione & Loeb (2020) [63] , Belanger et al. (2006) , [64] Meyer et al. (2006) , [65] Genzel et al. (2003) [66] y Daly et al. (2023) . [62]

Estrellas en órbita

Órbitas inferidas de seis estrellas alrededor del candidato a agujero negro supermasivo Sagitario A* en el centro de la Vía Láctea [67]
Estrellas moviéndose alrededor de Sagitario A*, time-lapse de 20 años, finalizando en 2018 [68] [69]
Estrellas moviéndose alrededor de Sagitario A* como se ve en 2021 [70] [71] [72]

Hay varias estrellas en órbita cercana alrededor de Sagitario A*, que se conocen colectivamente como "estrellas S". [73] Estas estrellas se observan principalmente en longitudes de onda infrarrojas de la banda K , ya que el polvo interestelar limita drásticamente la visibilidad en longitudes de onda visibles. Se trata de un campo que cambia rápidamente: en 2011, las órbitas de las estrellas más prominentes conocidas en ese momento se trazaron en el diagrama de la izquierda, mostrando una comparación entre sus órbitas y varias órbitas en el sistema solar. [69] Desde entonces, se ha descubierto que S62 se acerca incluso más que esas estrellas. [74]

Las altas velocidades y la proximidad al agujero negro supermasivo hacen que estas estrellas sean útiles para establecer límites a las dimensiones físicas de Sagitario A*, así como para observar efectos asociados a la relatividad general, como el desplazamiento del periapsis de sus órbitas. Se mantiene una vigilancia activa ante la posibilidad de que las estrellas se acerquen al horizonte de sucesos lo suficientemente cerca como para ser perturbadas, pero no se espera que ninguna de estas estrellas corra esa suerte.

A partir de 2020 , S4714 es el poseedor actual del récord de aproximación más cercana a Sagitario A*, a aproximadamente 12,6 UA (1.880 millones de km), casi tan cerca como Saturno llega al Sol, viajando a aproximadamente el 8% de la velocidad de la luz. Estas cifras dadas son aproximadas, las incertidumbres formales son12,6 ± 9,3 UA y23.928 ± 8.840 km/s . Su período orbital es de 12 años, pero una excentricidad extrema de 0,985 le confiere una aproximación cercana y una alta velocidad. [75]

Extracto de una tabla de este cúmulo (véase cúmulo Sagitario A* ), en la que se muestran los miembros más destacados. En la tabla siguiente, id1 es el nombre de la estrella en el catálogo de Gillessen e id2 en el catálogo de la Universidad de California, Los Ángeles. a , e , i , Ω y ω son elementos orbitales estándar , con a medido en segundos de arco . Tp es la época del paso por el pericentro, P es el período orbital en años y Kmag es la magnitud aparente de la estrella en la banda K infrarroja . q y v son la distancia del pericentro en UA y la velocidad del pericentro en porcentaje de la velocidad de la luz . [76]

Descubrimiento de una nube de gas G2 en un curso de acreción

La nube de gas G2, que tiene una masa tres veces mayor que la de la Tierra, fue detectada por primera vez como algo inusual en imágenes del centro de la Vía Láctea en 2002, [77] y se confirmó que probablemente se dirigía hacia la zona de acreción de Sgr A* en un artículo publicado en Nature en 2012. [78] Las predicciones de su órbita sugerían que haría su aproximación más cercana al agujero negro (un perinigricon ) a principios de 2014, cuando la nube estaba a una distancia de poco más de 3000 veces el radio del horizonte de sucesos (o ≈260 UA, 36 horas luz) del agujero negro. Se ha observado que G2 está generando perturbaciones desde 2009, [78] y algunos predijeron que sería completamente destruida por el encuentro, lo que podría haber provocado un aumento significativo del brillo de los rayos X y otras emisiones del agujero negro. Otros astrónomos sugirieron que la nube de gas podría estar escondiendo una estrella tenue, o un producto de la fusión de estrellas binarias, que la mantendría unida contra las fuerzas de marea de Sgr A*, permitiendo que el conjunto pasara sin ningún efecto. [79] Además de los efectos de marea en la nube misma, se propuso en mayo de 2013 [80] que, antes de su perinigricón, G2 podría experimentar múltiples encuentros cercanos con miembros de las poblaciones de agujeros negros y estrellas de neutrones que se piensa que orbitan cerca del Centro Galáctico, ofreciendo alguna idea de la región que rodea al agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. [81]

La tasa media de acreción sobre Sgr A* es inusualmente pequeña para un agujero negro de su masa [82] y solo es detectable porque está muy cerca de la Tierra. Se pensaba que el paso de G2 en 2013 podría ofrecer a los astrónomos la oportunidad de aprender mucho más sobre cómo se acumula material en los agujeros negros supermasivos. Varias instalaciones astronómicas observaron este acercamiento máximo, con observaciones confirmadas con Chandra , XMM , VLA , INTEGRAL , Swift , Fermi y solicitadas en VLT y Keck . [83]

Se realizaron simulaciones del paso antes de que ocurriera por grupos de ESO [84] y del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL). [85]

A medida que la nube se acercaba al agujero negro, Daryl Haggard dijo: "Es emocionante tener algo que se parezca más a un experimento", y esperaba que la interacción produjera efectos que proporcionaran nueva información y perspectivas. [86]

No se observó nada durante y después del máximo acercamiento de la nube al agujero negro, lo que se describió como una falta de "fuegos artificiales" y un "fracaso". [87] Los astrónomos del Grupo del Centro Galáctico de la UCLA publicaron observaciones obtenidas el 19 y 20 de marzo de 2014, concluyendo que G2 todavía estaba intacto (en contraste con las predicciones de una hipótesis de nube de gas simple) y que era probable que la nube tuviera una estrella central. [79]

Un análisis publicado el 21 de julio de 2014, basado en observaciones del Very Large Telescope de ESO en Chile, concluyó alternativamente que la nube, en lugar de estar aislada, podría ser un cúmulo denso dentro de una corriente continua pero más delgada de materia, y actuaría como una brisa constante en el disco de materia que orbita el agujero negro, en lugar de ráfagas repentinas que habrían causado un alto brillo al impactar, como se esperaba originalmente. Apoyando esta hipótesis, G1, una nube que pasó cerca del agujero negro hace 13 años, tenía una órbita casi idéntica a G2, consistente con ambas nubes, y una cola de gas que se cree que sigue a G2, siendo todos cúmulos más densos dentro de una gran corriente única de gas. [87] [88]

Andrea Ghez et al. sugirieron en 2014 que G2 no es una nube de gas sino más bien un par de estrellas binarias que habían estado orbitando el agujero negro en tándem y se fusionaron en una estrella extremadamente grande. [79] [89]

Véase también

Notas

  1. ^ Esto equivale aproximadamente a unas 37 veces el diámetro del Sol a ~1.400.000 kilómetros (~865.000 millas).

Referencias

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Lectura adicional

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