Sagitario A*

Sagitario A*, abreviado Sgr A* (estrella SADGE-AY), es el agujero negro supermasivo en el centro galáctico de la Vía Láctea. Visto desde la Tierra, se encuentra cerca del borde de las constelaciones Sagitario y Escorpio, aproximadamente 5,6° al sur de la eclíptica, visualmente cerca del Cúmulo de Mariposas (M6) y Lambda Scorpii.

El objeto es una fuente de radio astronómica brillante y muy compacta. El nombre Sagitario A* distingue la fuente compacta de la región más grande (y mucho más brillante) de Sagitario A (Sgr A) en la que está incrustada. Sgr A* fue descubierto en 1974 por Bruce Balick [de] y Robert L. Brown, y el El asterisco * fue asignado en 1982 por Brown , quien entendió que la emisión de radio más fuerte desde el 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*, particularmente la estrella S2, se han utilizado para determinar la masa y los límites superiores del radio del objeto. Basándose en límites de masa y 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. El valor actual de su masa es 4,297±0,012 millones de masas solares.

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.

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 radioobservatorios. Esta es la segunda imagen confirmada de un agujero negro, después del agujero negro supermasivo de Messier 87 en 2019. El agujero negro en sí no se ve, sólo los objetos cercanos cuyo comportamiento está influenciado por el agujero negro. La energía de radio e infrarroja observada emana de gas y polvo calentados a millones de grados mientras caen en el agujero negro.

Observación y descripción

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

Su resultado proporciona un tamaño angular general para la fuente de 51,8±2.3 μas. A una distancia de 26.000 años luz (8.000 pársecs), esto produce un diámetro de 51,8 millones de kilómetros (32,2 millones de millas). 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 kilómetros (0,31 AU; 29 millones de millas) 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. La medición de estos agujeros negros por parte del telescopio puso a prueba la teoría de la relatividad de Einstein con más rigor que lo que se había hecho hasta ahora, y los resultados coinciden perfectamente.

En 2019, las mediciones realizadas con la Cámara Aérea de Banda Ancha Plus de Alta Resolución (HAWC+) montada en el avión SOFIA revelaron que los campos magnéticos causan el anillo circundante de gas y polvo, cuyas temperaturas oscilan entre -280 y 17,500 °F. (99,8 a 9.977,6 K; −173,3 a 9.704,4 °C), fluya hacia una órbita alrededor de Sagitario A*, manteniendo bajas las emisiones de agujeros negros.

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.

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 dirección a la constelación de Sagitario, hacia el centro de la Vía Láctea. La fuente de radio pasó a ser conocida más tarde como Sagitario A. Sus observaciones no se extendieron tan al sur como ahora sabemos que es el Centro Galáctico. Las observaciones realizadas por Jack Piddington y Harry Minnett utilizando el radiotelescopio CSIRO en el embalse de Potts Hill, en Sydney, descubrieron un discreto y brillante "Sagitario-Escorpio" fuente de radio, que después de una observación adicional con el radiotelescopio CSIRO de 80 pies (24 metros) en Dover Heights fue identificada en una carta a Nature como el probable centro galáctico.

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 Balick y Robert L. Brown utilizando el interferómetro de referencia del Observatorio Nacional de Radioastronomía. 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.

Desde la década de 1980, ha sido evidente que el componente central de Sgr A* es probablemente un agujero negro. En 1994, estudios de espectroscopía 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.

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* 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, reforzando 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 imágenes NIR con observaciones de radio, ya que se pueden observar tanto en bandas NIR como de radio. El rápido movimiento de S2 (y otras estrellas cercanas) se destacó fácilmente frente a las estrellas que se movían más lentamente a lo largo de la línea de visión, por lo que éstas pudieron restarse de las imágenes.

Las observaciones de radio VLBI de Sagitario 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 Sagitario A*. Al examinar la órbita kepleriana de S2, determinaron que la masa de Sagitario A* era 4,1±0,6 millones de masas solares, confinadas en un volumen con un radio no superior a 17 horas luz (120 AU [18 mil millones de km ; 11 mil millones de millas]). 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 superior a 6,25 horas luz (45 AU [6,7 mil millones de kilómetros; 4,2 mil millones de millas]). La S175 pasó a una distancia similar. A modo de comparación, el radio de Schwarzschild es 0,08 AU (12 millones de kilómetros; 7,4 millones de millas). También determinaron la distancia de la Tierra al Centro Galáctico (el centro de rotación de la Vía Láctea), que es importante para calibrar escalas de distancia astronómicas, en 8.000 ± 600 pársecs (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, 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 respaldar la idea de que los agujeros negros supermasivos crecen absorbiendo estrellas y agujeros negros más pequeños cercanos.

Después de monitorear las órbitas estelares alrededor de Sagitario A* durante 16 años, Gillessen et al. estimaron la masa del objeto en 4,31±0,38 millones de masas solares. El resultado se anunció en 2008 y se publicó en The Astrophysical Journal en 2009. Reinhard Genzel, líder del equipo de investigación, afirmó que el estudio ha aportado "lo que ahora se considera la mejor evidencia empírica". 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 toda duda razonable."

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*. Según los astrónomos, este inusual evento 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*.

El 13 de mayo de 2019, los astrónomos que utilizaron el Observatorio Keck presenciaron un repentino 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.

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

• 
  Observaciones de ALMA de nubes de gas ricas en hidrogeno molecular, con la zona alrededor de Sagitario A* círculos
• 
  En 2013 se detectó una llama de rayos X inusualmente brillante de Sgr A*.
• 
  Supernova restos de eyecta produciendo material de formación planetaria visto en radio y rayos X
• 
  Supernova restos de eyecta produciendo material de formación planetaria visto en infrarrojos y rayos X

Agujero negro central

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 acumulaciones 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 prominentes llamaradas brillantes. Estos coinciden exactamente con las predicciones teóricas sobre 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*.

En julio de 2018, se informó que S2 orbitando Sgr A* se había registrado a 7.650 km/s (17,1 millones de mph), o el 2,55% de la velocidad de la luz, lo que llevó a la aproximación al pericentro, en mayo de 2018, a aproximadamente 120 AU (18 mil millones de km; 11 mil millones de millas) (aproximadamente 1400 radios de Schwarzschild) de Sgr A *. A esa distancia tan cercana al agujero negro, la teoría de la relatividad general (GR) de Einstein predice que S2 mostraría un corrimiento al rojo gravitacional discernible además del corrimiento al rojo de velocidad habitual; Se detectó el corrimiento al rojo gravitacional, de acuerdo con la predicción de GR dentro de una precisión de medición del 10 por ciento.

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. 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 (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 concuerda con el tamaño total observado de aproximadamente 50 μas, siendo el tamaño (diámetro aparente) del propio agujero negro Sgr A* 20 μas.

Observaciones recientes de menor resolución revelaron que la fuente de radio de Sagitario A* es simétrica. Las simulaciones de teorías alternativas de la gravedad muestran resultados que pueden ser difíciles de distinguir de la GR. 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.

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 cerca del agujero negro y utilizaron las leyes de Kepler para inferir la masa encerrada. El grupo alemán encontró una masa de 4.31±0,38 millones masas solares, mientras que el grupo americano encontró 4.1±0,6 millones Masas solares. Dado que esta masa se limita 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 apropiados de una muestra de varias mil estrellas dentro de aproximadamente un parsec del agujero negro, combinado con una técnica estadística, ha producido tanto una estimación de la masa del agujero negro en 3.6+0.2
   −0.4×10⁶ M_☉, además de una masa distribuida en el parsec central (1±0,5)×10⁶ M_☉. Se cree que este último está compuesto de estrellas y restos estelares.

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.

En última instancia, lo que se ve no es el agujero negro en sí, pero las observaciones que son consistentes sólo si hay un agujero negro presente cerca de Sgr A*. En el caso de tal agujero negro, la radio observada y la energía infrarroja emana de gas y polvo calentado a millones de grados mientras cae en el agujero negro. El agujero negro en sí se cree que emite sólo radiación Hawking a una temperatura insignificante, en el orden de 10⁻¹⁴ Kelvin.

El observatorio de rayos gamma de la Agencia Espacial Europea INTEGRAL observó que los rayos gamma interactuaban con la nube molecular gigante cercana Sagittarius B2, causando la emisión de rayos X de la nube. La luminosidad total de este desembolso (LEntendido1,5×10³⁹ erg/s) se estima que es un millón de veces más fuerte que la salida actual de Sgr A* y es comparable con un núcleo galáctico activo típico. En 2011 esta conclusión fue apoyada por astrónomos japoneses observando el centro de la Vía Láctea con el Suzaku satélite.

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) o 0,006 c. La estrella se encuentra 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 expulsada de la Vía Láctea después de interactuar con Sagitario A*.

Se han dado varios valores por su parámetro de giro ${\displaystyle A_{*}={\frac {cJ} {GM^{2}}}}$ algunos ejemplos son Fragione & Loeb (2020) ${\displaystyle a_{*}$, Belanger y otros (2006) ${\displaystyle a_{*}\sim 0.22}$, Meyer et al. (2006) ${\displaystyle a_{*} título0.4}$, Genzel et al. (2003) ${\displaystyle a_{*}\sim 0.52}$ and Daly et al. (2023) ${\displaystyle a_{*}\sim 0.9}$.

Estrellas en órbita

Hay varias estrellas en órbita cercana alrededor de Sagitario A*, que se conocen colectivamente como "estrellas S". 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 izquierda, que muestra una comparación entre sus órbitas y varias órbitas del sistema solar. Desde entonces, se ha descubierto que S62 se acerca incluso más que esas estrellas.

Las altas velocidades y aproximaciones cercanas al agujero negro supermasivo hacen que estas estrellas sean útiles para establecer límites en las dimensiones físicas de Sagitario A*, así como para observar efectos asociados a la relatividad general como el desplazamiento periapés de sus órbitas. Se mantiene un reloj activo para la posibilidad de que las estrellas se acerquen al horizonte del evento lo suficientemente cerca como para ser perturbadas, pero ninguna de estas estrellas se espera sufrir ese destino.

A partir de 2020, S4714 es el actual titular de registro de aproximación más cercana a Sagittarius A*, aproximadamente 12.6 UA (1.880 millones de km), casi tan cerca como Saturno llega al Sol, viajando alrededor del 8% de la velocidad de la luz. Estas cifras son aproximadas, siendo las incertidumbres formales 12.6±9.3 UA y 23.928±8.840 km/s. Su período orbital es de 12 años, pero una extrema excentricidad de 0.985 le da el acercamiento cercano y la alta velocidad.

Un extracto de una tabla de este grupo (ver grupo Sagitario A*), que presenta a los miembros más destacados. En la siguiente tabla, id1 es el nombre de la estrella en el catálogo de Gillessen y 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 de 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 AU y la velocidad del pericentro en porcentaje de la velocidad de la luz.

Descubrimiento de una nube de gas G2 en curso de acreción

Observada por primera vez como algo inusual en imágenes del centro de la Vía Láctea en 2002, se confirmó que la nube de gas G2, que tiene una masa aproximadamente tres veces mayor que la de la Tierra, probablemente estaba en un curso que la llevaría hacia la zona de acreción. de Sgr A* en un artículo publicado en Nature en 2012. Las predicciones de su órbita sugirieron que se acercaría más al agujero negro (un perinigricon) a principios de 2014, cuando la nube estaba a una distancia de poco más de 3.000 veces el radio del horizonte de sucesos (o ≈260 AU, 36 horas luz) del agujero negro. Se ha observado que G2 se está alterando desde 2009, y algunos predijeron que sería completamente destruido por el encuentro, lo que podría haber llevado a un brillo 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 pasara sin ningún efecto. Además de los efectos de las mareas en la propia nube, en mayo de 2013 se propuso 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 orbitan cerca del Centro Galáctico. ofreciendo una idea de la región que rodea al agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.

La tasa promedio de acreción en Sgr A* es inusualmente pequeña para un agujero negro de su masa y sólo 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 más cercano, con observaciones confirmadas con Chandra, XMM, VLA, INTEGRAL, Swift, Fermi y solicitadas en VLT y Keck.

Grupos de ESO y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) realizaron simulaciones del paso antes de que ocurriera.

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 nuevas información y conocimientos.

No se observó nada durante y después del acercamiento más cercano de la nube al agujero negro, lo que se describió como una falta de "fuegos artificiales" y un "fracaso". 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 intacta (en contraste con las predicciones para una hipótesis simple de nube de gas) y que era probable que la nube tuviera una estrella central.

Un análisis publicado el 21 de julio de 2014, basado en observaciones realizadas por el Very Large Telescope de ESO en Chile, concluyó alternativamente que la nube, en lugar de estar aislada, podría ser una masa densa dentro de una corriente continua pero más delgada. de materia, y actuaría como una brisa constante sobre 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. En apoyo de esta hipótesis, G1, una nube que pasó cerca del agujero negro hace 13 años, tenía una órbita casi idéntica a la de G2, consistente con ambas nubes, y una cola de gas que se cree que estaba detrás de G2, siendo todos grupos más densos dentro de un gran gas único. arroyo.

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.

Impresión artística de la acreción de la nube de gas G2 sobre Sgr A*. Crédito: ESO

Esta simulación muestra una nube de gas, descubierta en 2011, ya que pasa cerca del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.

Esta secuencia de vídeo muestra el movimiento de la nube polvorienta G2 mientras se cierra, y luego pasa, el agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea.