El centro de nuestra Vía Láctea está oculto a las miradas indiscretas de los telescopios ópticos por nubes de polvo y gas. Pero en esta impresionante vista, las cámaras infrarrojas del telescopio espacial Spitzer de la NASA penetran gran parte del polvo, revelando las estrellas de la concurrida región del centro galáctico. Créditos: NASA, JPL-Caltech, Susan Stolovy (SSC/Caltech) et al.

Sgr A* no es el único agujero negro supermasivo encontrado en el universo. La mayoría de las galaxias que conocemos tienen uno en su centro, e incluso con más masa y actividad. Además, las propiedades de estos oscuros gigantes están íntimamente conectadas con las características de las galaxias que los albergan, lo que sugiere que la evolución de una galaxia podría estar vinculada al crecimiento y desarrollo de su agujero negro central. Esta conexión plantea la intrigante posibilidad de que estos enigmáticos objetos jueguen un papel fundamental en la historia misma del universo.

El problema que tenemos para estudiarlos es su gran distancia. Sgr A*, situado a 26.000 años luz, es el agujero negro supermasivo más cercano a la tierra. El siguiente que encontramos está en la galaxia de Andrómeda, 100 veces más alejado de nuestro planeta. Por “cercanía”, podemos estudiar con gran detalle y precisión Sgr A* y su entorno tan extremo, donde se están produciendo importantes procesos físicos. Tenemos un laboratorio único en el centro de nuestra galaxia.

Sin embargo, también es único en desafíos de observación. La tierra se halla en el plano galáctico, y, si queremos observar el centro de la galaxia, tenemos que atravesar una densa capa de gas y polvo interestelar. Esto convierte a la región que rodea Sgr A* en una zona prácticamente opaca a la luz visible. Además, se trata de una región donde la densidad de estrellas es extremadamente alta, con lo que se requiere gran resolución angular — gran capacidad para poder separar objetos que estén muy juntos — para estudiarlo. Por todo ello, los secretos del corazón de nuestra galaxia han estado ocultos durante mucho tiempo.
 

 Imagen infrarroja del centro galáctico. Para las observaciones interferométricas con GRAVITY se utilizó la estrella IRS 16C como estrella de referencia, aunque el objetivo real era la estrella S2. La posición del centro, que alberga el agujero negro (invisible) conocido como Sgr A* está marcada por la cruz naranja. ESO/MPE/S. Gillessen et al.

EL OSCURO GIGANTE DE NUESTRA GALAXIA 

En 1933, Karl Jansky fue el primero en descubrir que allí había algo escondido. Con el objetivo inicial de estudiar cómo las tormentas afectaban a las comunicaciones de larga distancia, construyó el primer radiotelescopio de la historia, y detectó una señal de radio: un débil silbido proveniente del núcleo de la galaxia. Décadas después, en 1974, Robert L. Brown y Bruce Balick, utilizando la joven técnica de la interferometría, que consiste en combinar señales de diferentes antenas de radio para obtener una imagen de mayor resolución, lograron separar los distintos componentes de la fuente de radio. Así, descubrieron un objeto puntual: Sgr A*, y se preguntaron si éste sería la manifestación de un agujero negro supermasivo escondido en la Vía Láctea.

La respuesta llegó en la década de 1990 con la construcción de grandes telescopios en el desierto de Atacama, en el norte de Chile, y en el volcán Mauna Kea, en Hawái. Además, fue crucial el desarrollo de instrumentos infrarrojos para observar a través de las densas nubes de polvo, así como la implementación de la óptica adaptativa, que ajusta en tiempo real los espejos de los telescopios para contrarrestar la distorsión atmosférica. Gracias a estos avances finalmente pudimos asomarnos a los secretos ocultos en esta esquiva región y observar, con la resolución necesaria, las estrellas cercanas a Sgr A*.
 

Imagen de Radio del Centro Galáctico donde se puede apreciar la enorme complejidad de este entorno. Crédito: Farhad Yusef-Zadeh et al. (Northwestern), VLA, NRAO 
 

LAS ESTRELLAS QUE ORBITAN SGR A*

El estudio de las estrellas que orbitan Sgr A* puede darnos información clave sobre el propio agujero negro e inferir algunas de sus propiedades. Debido a que la gravedad en estos objetos es tan intensa que ni siquiera la luz puede escapar, resulta muy difícil estudiarlos de forma directa. Como ya predijo John Michell en 1783, el primero en hablar de estrellas negras: “…no podríamos obtener ninguna información a partir de la luz; si hubiera otros cuerpos luminosos girando a su alrededor, aún podríamos, tal vez, inferir la existencia de los cuerpos centrales a partir de los movimientos de estos cuerpos en órbita, con algún grado de probabilidad”. Así, las estrellas que orbitan Sgr A* son una herramienta eficaz para estudiar indirectamente el agujero negro.

Entre las estrellas observadas destaca S2 (o S02), que ha sido clave en el estudio del agujero negro central. Nuestra protagonista es una estrella con una masa mayor que 15 veces la masa del Sol, y que tarda solamente 16 años en completar una órbita alrededor del agujero negro. Esta estrella viaja a más de 7.500 kilómetros por segundo es su punto más cercano al mismo. Gracias al estudio detallado de su órbita, se logró medir con precisión la masa de Sgr A*, proporcionando pruebas irrefutables de la existencia del agujero negro. Por estas investigaciones pioneras, Andrea Ghez y Reinhard Genzel fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 2020.

Además, en 2019, la estrella se acercó a su punto más cercano al agujero negro. Para entonces, ya se llevaban más de 20 años estudiando su órbita, y se pudo observar que el movimiento de esta estrella no podía ser explicado por las leyes de Newton. Fue necesario recurrir a la relatividad, lo que demostró que la teoría de Einstein se cumplía más de 100 años después de que él la formulara, en un régimen que él nunca había imaginado, en una región nunca antes estudiada, donde la gravedad es extrema: las inmediaciones de un agujero negro supermasivo.

Pero no era el único misterio que albergaba el centro de nuestra galaxia. S02 era una estrella joven, con solo 6.6 millones de años de edad, y no estaba sola. Había otras jóvenes compañeras danzando con ella en ese entorno oscuro y turbulento a velocidades de miles de kilómetros por segundo ¿Cómo pueden nacer estas estrellas en un ambiente tan extremo, donde los campos electromagnéticos son tan intensos y las fuerzas de marea tan destructivas que pueden destrozar estrellas y nubes de gas en tiempo récord? El entorno de un agujero negro no parece un útero cósmico adecuado para cobijar el nacimiento de estrellas…
 

Simulación que muestra las órbitas de las estrellas muy cerca del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. Es un laboratorio perfecto para probar la física de la gravedad y, específicamente, la teoría de la relatividad general de Einstein. Crédito: ESO/L. Calçada/spaceengine.org

LA “PARADOJA DE LA JUVENTUD”

El enigma, conocido como la “paradoja de la juventud”, no tiene aún explicación. Hay teorías que sugieren que estas estrellas se formaron en un disco de gas alrededor del agujero negro, y aunque se han encontrado estrellas distribuidas en dos discos, hay otras que no. Otras teorías apuntan que se formaron en cúmulos lejanos y migraron hacia el centro debido a la fricción dinámica, aunque no se detectaron rayos X de estos cúmulos compactos, y su juventud hace difícil que hayan migrado desde tan lejos. Ninguna de estas teorías explica completamente cómo siguen formándose estrellas en esta región.

Para intentar resolver este misterio, debemos observar más estrellas cercanas al agujero negro, incluyendo algunas mucho más débiles que nunca se han detectado antes. Para estudiar la edad y el tipo de estas estrellas, se utiliza la espectroscopía, que nos proporciona la “huella dactilar” de cada estrella. Esta técnica nos permite identificar qué elementos están presentes en ella, su temperatura, su velocidad, y otras características importantes. El problema es que aplicar espectroscopía en el centro de la galaxia no es fácil; solo se pueden estudiar zonas pequeñas y estrellas brillantes, lo que limita las observaciones.

EL GRUPO DEL CENTRO GALÁCTICO DEL IAA-CSIC

En nuestro grupo hemos buscado una solución usando fotometría, el brillo de las estrellas. Con esta técnica podemos detectar estrellas mucho más débiles en zonas más extensas alrededor del agujero negro. Además, al usar diferentes filtros podemos obtener espectros de baja resolución que aún nos proporcionan información valiosa sobre la edad de las estrellas. Gracias a la aplicación de técnicas avanzadas de machine learning y a un trabajo intenso para mejorar la calidad de las imágenes, hemos logrado descubrir más estrellas jóvenes cerca del agujero negro. También hemos podido estudiar la función de masas inicial de las estrellas, que describe cómo se distribuyen las masas de las estrellas que nacen. Hemos encontrado, corroborando otros estudios en estas regiones, que esta distribución difiere de la observada en otras partes de la galaxia, lo que es sorprendente, ya que se pensaba que era universal. ¿Las estrellas nacidas en ese entorno extremo no se rigen por las mismas reglas que las de otras partes de la galaxia?

El centro de la galaxia es, por lo tanto, un lugar único en el cosmos, lleno de misterios que siguen desafiando nuestra comprensión y planteando nuevas preguntas sin respuesta. Con la llegada de la nueva generación de telescopios, como el Telescopio Extremadamente Grande (ELT) que se está construyendo en el desierto de Atacama, Chile, con un diámetro de casi 40 metros, se abrirá una ventana sin precedentes para explorar esta región tan extrema. Tal vez así podamos desvelar el enigma de cómo las estrellas pueden nacer tan cerca de un agujero negro. Mientras tanto, seguiremos estudiando y acompañando a nuestras jóvenes bailarinas en su frenética danza entre las tinieblas.
 

Espectros reales de estrellas, una joven y otra vieja,  comparados con espectros de baja resolución obtenidos con fotometría de banda intermedia. Crédito: Gallego-Cano, E., et al.: A&A, 689, A190 (2024)