Sagitario A *

Sagittarius A * (pronunciado "Sagittarius A-Star", abreviado Sgr A * ) es una fuente de radio astronómica brillante y muy compacta en el Centro Galáctico de la Vía Láctea . Se encuentra cerca del límite de las constelaciones de Sagitario y Escorpio , a unos 5,6 ° al sur de la eclíptica . [3] Sagitario A * es la ubicación de un agujero negro supermasivo , [4] [5] [6] similar a los que se encuentran en los centros de la mayoría, si no todas, las galaxias espirales y elípticas .

Sagitario A *
Sagitario A * .jpg
Sgr A * (centro) y dos ecos de luz de una explosión reciente (en un círculo)
Datos de observación Epoch J2000 Equinox J2000
      
Constelación Sagitario
Ascensión recta 17 h 45 m 40.0409 s
Declinación −29 ° 0 ′ 28,118 ″ [1]
Detalles
Masa(4,154 ± 0,014) × 10 6 [2]  M ☉
Astrometria
Distancia26 673 ± 42 [2]  Ly
(8178 ± 13 [2]  pieza )
Referencias de la base de datos
SIMBADdatos

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 límites de masa y radio cada vez más precisos, los astrónomos han concluido que Sagitario A * es el agujero negro supermasivo central de la Vía Láctea. [7]

Reinhard Genzel y Andrea Ghez fueron galardonados con el Premio Nobel de Física 2020 por su descubrimiento de que Sgr A * es un objeto compacto supermasivo, para el cual un agujero negro es la única explicación conocida actualmente. [8]

Observaciones de ALMA de nubes de gas rico en hidrógeno molecular [9]

Los astrónomos no han podido observar Sgr A * en el espectro óptico debido al efecto de 25 magnitudes de extinción por polvo y gas entre la fuente y la Tierra. [10] Varios equipos de investigadores han intentado obtener imágenes de Sgr A * en el espectro de radio utilizando interferometría de línea de base muy larga (VLBI). [11] La medición actual de mayor resolución (aproximadamente 30  μas ), realizada a una longitud de onda de 1,3  mm , indicó un tamaño angular general para la fuente de 50 μas. [12] A una distancia de 26.000 años  luz , esto produce un diámetro de 60 millones de kilómetros. En comparación, la Tierra está a 150 millones de kilómetros del Sol y Mercurio a 46 millones de kilómetros del Sol en el perihelio . El movimiento propio de Sgr A * es aproximadamente -2,70  mas por año para la ascensión recta y -5,6 mas por año para la declinación . [13]

En 2017, el Event Horizon Telescope tomó imágenes de radio directas de Sagittarius A * y M87 * . [14] [15] El Event Horizon Telescope utiliza interferometría para combinar imágenes tomadas de observatorios muy espaciados en diferentes lugares de la Tierra con el fin de obtener una resolución de imagen más alta. Se espera que las mediciones pongan a prueba la teoría de la relatividad de Einstein de manera más rigurosa de lo que se ha hecho anteriormente. Si se encuentran discrepancias entre la teoría de la relatividad y las observaciones, los científicos pueden haber identificado circunstancias físicas bajo las cuales la teoría se derrumba. [dieciséis]

En 2019, las mediciones realizadas con Airborne Wideband Camera-Plus (HAWC +) revelaron que los campos magnéticos causan el anillo circundante de gas y polvo, cuyas temperaturas oscilan entre −280 ° F (−173,3 ° C) y 17,500 ° F. (9,700 ° C), [17] para fluir hacia una órbita alrededor de Sagitario A *, manteniendo bajas las emisiones de agujeros negros. [18]

Karl Jansky , considerado padre de la radioastronomía, descubrió en agosto de 1931 que una señal de radio provenía de un lugar en la dirección de la constelación de Sagitario, hacia el centro de la Vía Láctea. [19] La fuente de radio más tarde se hizo conocido como Sagitario A . Sus observaciones no se extendieron tan al sur como ahora sabemos que es el Centro Galáctico. [20] Las observaciones de Jack Piddington y Harry Minnett utilizando el radiotelescopio CSIRO en el embalse de Potts Hill , en Sydney, descubrieron una fuente de radio discreta y brillante "Sagittarius-Scorpius", [21] que después de una observación adicional con el radiotelescopio CSIRO de 80 pies en Dover Heights fue identificado en una carta a Nature como el probable Centro Galáctico. [22]

Observaciones posteriores mostraron que Sagitario A en realidad consta de varios subcomponentes superpuestos; Un componente brillante y muy compacto Sgr A * fue descubierto el 13 y 15 de febrero de 1974 por los astrónomos Bruce Balick y Robert Brown utilizando el interferómetro de referencia del Observatorio Nacional de Radioastronomía . [23] [24] 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 indican con asteriscos. [25] [26]

Detección de un destello de rayos X inusualmente brillante de Sgr A * [27]

Desde la década de 1980, ha sido evidente que el componente central de Sgr A * es probablemente un agujero negro. La espectroscopia infrarroja y submilimétrica realizada por un equipo de Berkeley en el que participaron el premio Nobel Charles H. Townes y el futuro premio Nobel Reinhard Genzel mostró que la masa debe estar muy concentrada, posiblemente una masa puntual.

El 16 de octubre de 2002, un equipo internacional dirigido por Reinhard Genzel del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre informó de la observación del movimiento de la estrella S2 cerca de Sagitario A * durante un período de diez años. Según el análisis del equipo, los datos descartaron la posibilidad de que Sgr A * contenga un grupo de objetos estelares oscuros o una masa de fermiones degenerados , lo que refuerza la evidencia de un agujero negro masivo. [28] Las observaciones de S2 utilizaron interferometría del infrarrojo cercano (NIR) (en la banda K, es decir, 2,2  μm ) debido a la reducción de la extinción interestelar en esta banda. Se utilizaron máseres de SiO para alinear imágenes NIR con observaciones de radio, ya que se pueden observar tanto en NIR como en bandas 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 estas se podrían restar de las imágenes.

La nube de polvo G2 pasa por el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea [29]

Las observaciones de radio VLBI de Sagittarius A * también podrían alinearse centralmente con las imágenes NIR, por lo que se encontró que el foco de la órbita elíptica de S2 coincidía con la posición de Sagittarius A *. Al examinar la órbita kepleriana de S2, determinaron que la masa de Sagitario A * era2,6 ± 0,2 millones de masas solares , confinadas en un volumen con un radio de no más de 17 horas luz (120  AU ). [30] 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) o unos 6,7 mil millones de kilómetros . [31] El S175 pasó a una distancia similar. [32] A modo de comparación, el radio de Schwarzschild es 0,08 AU. También determinaron la distancia desde la Tierra al Centro Galáctico (el centro de rotación de la Vía Láctea), que es importante para calibrar escalas de distancia astronómica, como(8,0 ± 0,6) × 10 3  pársecs . En noviembre de 2004, un equipo de astrónomos informó del descubrimiento de un potencial agujero negro de masa intermedia , denominado 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 apoyar la idea de que los agujeros negros supermasivos crecen al absorber los agujeros negros más pequeños y las estrellas cercanas.

Después de monitorear las órbitas estelares alrededor de Sagittarius A * durante 16 años, Gillessen et al. estimó la masa del objeto en4,31 ± 0,38 millones de masas solares. El resultado fue anunciado en 2008 y publicado en The Astrophysical Journal en 2009. [33] Reinhard Genzel , líder del equipo de la investigación, dijo que el estudio ha entregado "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 ". [34]

El 5 de enero de 2015, la NASA informó haber observado un destello de rayos X 400 veces más brillante de lo habitual, un récord, de Sgr A *. El evento inusual puede haber sido causado por la ruptura 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. [27]

El 13 de mayo de 2019, los astrónomos que utilizaron el Observatorio Keck presenciaron un brillo repentino de Sgr A *, que se volvió 75 veces más brillante de lo habitual, lo que sugiere que el agujero negro supermasivo pudo haber encontrado otro objeto. [35]

Eyecta remanente de supernova que produce material formador de planetas

NuSTAR ha capturado estas primeras vistas enfocadas del agujero negro supermasivo en el corazón de la Vía Láctea en rayos X de alta energía.
Una simulación por computadora de cómo podría aparecer el agujero negro central ante el Event Horizon Telescope

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. Usando el interferómetro GRAVITY y los cuatro telescopios del Very Large Telescope (VLT) para crear un telescopio virtual de 130 metros de diámetro, los astrónomos detectaron grupos 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 como tres llamaradas brillantes prominentes. Estos coinciden exactamente con las predicciones teóricas para los 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 *. [36] [37]

En julio de 2018, se informó que S2 orbitando Sgr A * se había registrado a 7.650 km / s, o un 2,55% de la velocidad de la luz , lo que condujo a la aproximación del pericentro , en mayo de 2018, a unas 120  AU (aproximadamente 1.400 radios de Schwarzschild ) de Sgr A *. En ese estrecha la distancia al agujero negro, Einstein teoría 's de la relatividad general (GR) predice que S2 mostraría una discernible corrimiento al rojo gravitacional además del desplazamiento hacia el rojo velocidad usual; se detectó el corrimiento al rojo gravitacional, de acuerdo con la predicción GR dentro del 10 por ciento de precisión de medición. [38] [39]

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 se centran 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. [12] Si la posición aparente de Sagitario A * estuviera exactamente centrada en el agujero negro, sería posible verlo ampliado más allá de su tamaño, debido a la lente gravitacional del agujero negro. Según la relatividad general , esto daría como resultado una estructura en forma de anillo, que tiene un diámetro de aproximadamente 5,2 veces el radio de Schwarzschild del agujero negro . Para un agujero negro de alrededor de 4 millones de masas solares, esto corresponde a un tamaño de aproximadamente 52  μas , que es consistente con el tamaño total observado de aproximadamente 50 μas. [12]

Observaciones recientes de menor resolución revelaron que la fuente de radio de Sagitario A * es simétrica. [40] Las simulaciones de teorías alternativas de la gravedad muestran resultados que pueden ser difíciles de distinguir de la GR. [41] Sin embargo, un artículo de 2018 predice una imagen de Sagitario A * que está de acuerdo con observaciones recientes; en particular, explica el pequeño tamaño angular y la morfología simétrica de la fuente. [42]

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

  1. Dos grupos, en Alemania y Estados Unidos, monitorearon las órbitas de estrellas individuales muy cerca del agujero negro y usaron las leyes de Kepler para inferir la masa encerrada. El grupo alemán encontró una masa de4,31 ± 0,38 millones de masas solares, [33] mientras que el grupo estadounidense encontró3,7 ± 0,2 millones de masas solares. [31] Dado que esta masa está confinada dentro de una esfera de 44 millones de kilómetros de diámetro, esto produce una densidad diez veces mayor que las estimaciones anteriores.
  2. Más recientemente, la medición de los movimientos propios de una muestra de varios miles de estrellas dentro de aproximadamente un parsec del agujero negro, combinada con una técnica estadística , ha arrojado tanto una estimación de la masa del agujero negro en3.6+0,2
    −0,4    × 10 6     M ☉ , más una masa distribuida en el pársec central que asciende a(1 ± 0,5) × 10 6 M ☉ . [43] Se cree que este último está compuesto por estrellas y restos estelares .
Magnetar encontrado 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, implica que la Vía Láctea no es una galaxia Seyfert . [10]

En última instancia, lo que se ve no es el agujero negro en sí, sino observaciones que son consistentes solo 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 infrarrojos observada emana del gas y el polvo calentado a millones de grados al caer en el agujero negro. [36] Se cree que el agujero negro en sí mismo emite sólo radiación de Hawking a una temperatura insignificante, del orden de 10-14 kelvin .

La Agencia Espacial Europea 's de rayos gamma observatorio INTEGRAL observado rayos gamma que interactúan con el cercano nube molecular gigante Sagitario B2 , causando la emisión de rayos X desde la nube. Se estima que la luminosidad total de este estallido ( L ≈1,5 × 10 39 erg / s) es un millón de veces más fuerte que la salida actual de Sgr A * y es comparable con un núcleo galáctico activo típico . [44] [45] En 2011, esta conclusión fue apoyada por astrónomos japoneses que observaron el centro de la Vía Láctea con el satélite Suzaku . [46]

En julio de 2019, los astrónomos informaron haber encontrado una estrella, S5-HVS1 , que viajaba a 1.755 km / s (3.93 millones de mph). La estrella se encuentra en la constelación Grus (o Crane) en el cielo del sur, y a unos 29.000 años luz de la Tierra, y puede haber sido impulsada fuera de la galaxia Vía Láctea después de interactuar con Sagitario A *, el agujero negro supermasivo en el centro. de la galaxia. [47] [48]

Órbitas inferidas de 6 estrellas alrededor del candidato a agujero negro supermasivo Sagitario A * en el centro de la Vía Láctea [49]

Hay varias estrellas en órbita cercana alrededor de Sagitario A *, que se conocen colectivamente como "estrellas S" en varios catálogos. Estas estrellas se observan principalmente en longitudes de onda infrarrojas de banda K , ya que el polvo interestelar limita drásticamente la visibilidad en longitudes de onda visibles. Este es un campo que cambia rápidamente: en 2011, las órbitas de las estrellas más prominentes conocidas entonces se trazaron en el diagrama de la derecha, mostrando una comparación entre sus órbitas y varias órbitas en el sistema solar. Desde entonces, se ha descubierto que S62 y luego S4714 se acercan aún más que esas estrellas.

Las altas velocidades y los acercamientos cercanos al agujero negro supermasivo hacen que estas estrellas sean útiles para establecer límites en las dimensiones físicas de Sagitario A *, así como para observar los efectos asociados a la relatividad general como el cambio de periapso de sus órbitas. Se mantiene una vigilancia activa por la posibilidad de que las estrellas se acerquen al horizonte de eventos lo suficientemente cerca como para ser interrumpidas, pero se espera que ninguna de estas estrellas sufra ese destino. La distribución observada de los planos de las órbitas de las estrellas S limita el giro de Sagitario A * a menos del 10% de su valor máximo teórico. [50]

A partir de 2020, S4714 es el poseedor actual del récord de aproximación más cercana a Sagitario A *, a aproximadamente 12,6 AU (1,88 mil 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, siendo las incertidumbres formales12,6 ± 9,3 AU y23.928 ± 8.840 km / s . Su período orbital es de 12 años, pero una excentricidad extrema de 0.985 le da un acercamiento cercano y alta velocidad. [51]

Un extracto de una tabla de este grupo (ver grupo Sagitario A * ), con los miembros más destacados. En la siguiente tabla, 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 un medido en segundos de arco . Tp es la época del paso del pericentro, P es el período orbital en años y Kmag es la magnitud aparente de la banda K de la estrella. q y v son la distancia del pericentro en AU y la velocidad del pericentro en porcentaje de la velocidad de la luz , [52] y Δ indica la desviación estándar de las cantidades asociadas.

id1 id2 a Δa mi Δe yo (°) Δi Ω (°) ΔΩ ω (°) Δω Tp (año) ΔTp P (año) ΔP Kmag q (AU) Δq v (% c) Δv
S1 S0-1 0.5950 0.0240 0.5560 0.0180 119,14 0,21 342.04 0,32 122.30 1,40 2001.800 0,150 166,0 5.8 14,70 2160,7 6,7 0,55 0,03
S2 S0-2 0.1251 0,0001 0.8843 0,0001 133,91 0,05 228.07 0,04 66.25 0,04 2018.379 0,001 16,1 0.0 13,95 118,4 0,2 2,56 0,00
S8 S0-4 0.4047 0,0014 0,8031 0,0075 74,37 0,30 315,43 0,19 346,70 0,41 1983.640 0,240 92,9 0.4 14,50 651,7 22,5 1.07 0,01
S12 S0-19 0.2987 0,0018 0.8883 0,0017 33,56 0,49 230,10 1,80 317,90 1,50 1995.590 0,040 58,9 0,2 15,50 272,9 2.0 1,69 0,01
T13 S0-20 0.2641 0,0016 0.4250 0,0023 24,70 0,48 74,50 1,70 245.20 2,40 2004.860 0,040 49,0 0,1 15,80 1242.0 2.4 0,69 0,01
T14 S0-16 0.2863 0,0036 0.9761 0,0037 100,59 0,87 226,38 0,64 334,59 0,87 2000.120 0,060 55,3 0,5 15,70 56,0 3.8 3,83 0,06
S62 0.0905 0,0001 0,9760 0,0020 72,76 4.58 122,61 0,57 42,62 0,40 2003.330 0,010 9,9 0.0 16.10 16,4 1,5 7.03 0,04
S4714 0.102 0,012 0,985 0,011 127,7 0,28 129.28 0,63 357.25 0,08 2017.29 0,02 12,0 0,3 17,7 12,6 9.3 8.0 3

Observada por primera vez como algo inusual en las imágenes del centro de la Vía Láctea en 2002, [53] se confirmó que la nube de gas G2, que tiene una masa aproximadamente tres veces mayor que la de la Tierra, probablemente esté en un curso que la lleve a la zona de acreción. de Sgr A * en un artículo publicado en Nature en 2012. [54] Las predicciones de su órbita sugirieron que haría su aproximación más cercana al agujero negro (un perinigricón ) a principios de 2014, cuando la nube estaba a una distancia de poco más de 3000 multiplicado por el radio del horizonte de sucesos (o ≈260 AU, 36 horas luz) desde el agujero negro. Se ha observado que G2 se está alterando desde 2009, [54] y algunos predijeron que sería completamente destruido por el encuentro, lo que podría haber provocado un aumento significativo de los rayos X y otras emisiones del agujero negro. Otros astrónomos sugirieron que la nube de gas podría estar ocultando una estrella tenue, o un producto de fusión de estrellas binarias, que la mantendría unida contra las fuerzas de marea de Sgr A *, permitiendo que el conjunto pase sin ningún efecto. [55] Además de los efectos de marea en la propia nube, se propuso en mayo de 2013 [56] 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 cree que orbita cerca del Centro Galáctico, ofreciendo una idea de la región que rodea al agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. [57]

La tasa promedio de acreción en Sgr A * es inusualmente pequeña para un agujero negro de su masa [58] y solo es detectable porque está muy cerca de la Tierra. Se pensó que el paso de G2 en 2013 podría ofrecer a los astrónomos la oportunidad de aprender mucho más sobre cómo el material se acumula en los agujeros negros supermasivos. Varias instalaciones astronómicas observaron esta aproximación más cercana, con observaciones confirmadas con Chandra , XMM , VLA , INTEGRAL , Swift , Fermi y solicitadas en VLT y Keck . [59]

Los grupos de ESO [60] y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) realizaron simulaciones del pasaje antes de que ocurriera . [61]

A medida que la nube se acercaba al agujero negro, el Dr. Daryl Haggard dijo: "Es emocionante tener algo que se siente más como un experimento", y esperaba que la interacción produjera efectos que proporcionaran nueva información y conocimientos. [62]

No se observó nada durante y después de la aproximación más cercana de la nube al agujero negro, que se describió como una falta de "fuegos artificiales" y un "fracaso". [63] Los astrónomos del Grupo del Centro Galáctico de UCLA publicaron observaciones obtenidas el 19 y 20 de marzo de 2014, concluyendo que G2 todavía estaba intacto (en contraste con las predicciones para una hipótesis simple de nube de gas) y que era probable que la nube tuviera una estrella central. . [64]

Un análisis publicado el 21 de julio de 2014, basado en observaciones de la ESO Es Very Large Telescope en Chile, llegó a la conclusión, alternativamente, que la nube, en lugar de ser aislado, puede ser un grupo densa dentro de un continuo pero más delgado flujo de la materia, y se lo actúan 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 chocar, 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 está detrás de G2, todos siendo grupos más densos dentro de un solo gas grande. Arroyo. [63] [65]

El profesor Andrea Ghez et al. sugirió 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. [55] [66]

Impresión artística de la acumulación de la nube de gas G2 en Sgr A *. Crédito: ESO [67]
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Esta simulación muestra una nube de gas, descubierta en 2011, cuando pasa cerca del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.
"> Reproducir medios
Esta secuencia de video muestra el movimiento de la nube de polvo G2 a medida que se acerca y luego pasa por el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.

  • Exceso de GeV del Centro Galáctico
  • Lista de agujeros negros más cercanos

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