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Alejandro Raga y Fabio De Colle

Instituto de Ciencias Nucleares, unam

En el centro de la Vía Láctea (nuestra galaxia) hay un agujero negro con una masa de aproximadamente cuatro millones de veces la del Sol. La zona del centro galáctico, llamada la zona de “Sagitario A”, no se ve ópticamente porque está oculta por mucho gas polvoso. El centro galáctico sí se observa en longitudes de onda infrarrojas y de radio porque es más transparente. Con técnicas de óptica adaptativa (usando espejos deformables que permiten corregir el efecto de la transparencia variable de la turbulencia de nuestra atmósfera) se observan decenas de estrellas que viajan en órbitas alrededor del agujero negro central de nuestra galaxia. Mientras algunas galaxias (llamadas agn o núcleos galácticos activos) tienen agujeros negros “activos”, que acretan o absorben enormes cantidades de material y lanzan chorros de gas a velocidades cercanas a la de la luz, el agujero negro de nuestra galaxia está “dormido”.

Por medio de observaciones hechas con el Very Large Telescope (cuatro telescopios con espejos de 8.2 metros que se encuentran en Chile), en 2011 un grupo internacional de astrónomos descubrió un objeto aproximándose al agujero negro. Este objeto ha levantado un gran interés entre los astrofísicos, porque se esperaba que parte del material capturado por el agujero negro terminara eyectado, y nos permitiera estudiar directamente este proceso.

Sabemos que este objeto no es una estrella, dado que presenta características que indican que es una nube de gas. Esta identificación del objeto como una nube de gas es totalmente clara, porque los espectros de estrellas y de nubes de gas son muy diferentes. Se la llamó “Nube G2”, dado que una década antes se había observado otra nube de gas (G1) cerca del centro galáctico (la “G” se refiere a que es una nube de gas).

Viendo la evolución de la nube en su órbita, se dedujo que cruzaría por el punto más cercano al agujero negro a principios de 2014. El punto más cercano en la órbita elíptica de un cometa alrededor del Sol se llama perihelio; y en el caso de la órbita de una estrella alrededor de otra, el punto más cercano también se llama periastro. Por tanto, se ha sugerido llamar “perinigricon” al punto más cercano en una órbita alrededor de un agujero negro. Como este nombre suena un poco rebuscado usaremos el término periastro para el pasaje más cercano de la Nube G2 alrededor del agujero negro central de nuestra galaxia.

Ideas teóricas sobre la Nube G2

En los años 2012 a 2013 aparecieron varios artículos con estudios teóricos sobre la Nube G2 basados, principalmente, en simulaciones numéricas de la evolución de una nube de gas alrededor de un agujero negro. Al comparar las observaciones con los modelos, se ha determinado que esta nube de gas tiene una masa equivalente a tres veces la masa de la Tierra. Estos modelos concuerdan con la predicción de que la Nube G2 se dispersaría al pasar por el periastro de su órbita. Los cálculos numéricos muestran que cuando la nube de gas se acerca al agujero negro, forma un filamento alargado debido a la atracción gravitacional de éste sobre la nube (por fuerzas de marea análogas a las que hacen que la superficie del mar se levante por la fuerza de gravedad de la Luna), rompiéndose en pedazos que eventualmente caerán hacia el agujero negro central de nuestra galaxia. Desde que se descubrió la Nube G2, se han sugerido distintos posibles orígenes. Uno de ellos es que la nube formaba parte de un fuerte viento eyectado por una estrella, es decir, que la Nube G2 tuviera una “estrella escondida” (no observada directamente) en su zona central, y que esta estrella alimentara de gas la nube.

Los autores nos dedicamos a estudiar el Universo por medio de simulaciones numéricas. Lo que hacemos es identificar las ecuaciones matemáticas que describen el comportamiento de un objeto astrofísico, escribir estas ecuaciones en un programa para computadora y dejar que ésta resuelva las ecuaciones complejas. Así que, para entender mejor a la Nube G2, realizamos simulaciones numéricas del pasaje del sistema estrella + viento por el periastro de la órbita de la Nube G2, y encontramos una fragmentación y caída de la nube al agujero negro similar a la de los modelos de nube sola. El hoyo negro termina tragándose a la nube y no a la estrella porque ésta es mucho más compacta y por lo tanto más resistente a la atracción gravitacional del agujero negro. La diferencia importante es que una vez pasado el periastro, el viento de la estrella realimenta a la nube, por lo que es posible predecir que la nube podrá regenerarse. La figura 1 muestra un ejemplo de nuestras simulaciones de “Nube G2 como viento estelar”.

Figura 1. Resultados de una simulación numérica de la Nube G2 pasando cerca del agujero negro central de nuestra galaxia. El agujero negro está localizado en el origen del sistema de coordenadas, y los ejes dan distancias en ua (una ua o unidad astronómica es igual al radio de la órbita de la Tierra alrededor del Sol, de aproximadamente 150 millones de kilómetros). Las tres “ventanas” muestran la Nube G2 simulada aproximadamente un año antes del periastro (el pasaje más cercano al agujero negro en la órbita de la nube), cerca del periastro, y un año después. Se ve que la Nube G2 se rompe al pasar por el periastro, con mucho de su material cayendo al agujero negro. También vemos que después del periastro el viento de la estrella en el medio de G2 regenera la estructura de la nube.

Entonces, antes del pasaje de la Nube G2 por el periastro, había dos modelos con dos predicciones claramente diferentes: 1) una nube de gas “sencilla”: en este caso G2 debería fragmentarse y desaparecer en su pasaje por el periastro; y 2) una nube de gas alimentada por el viento de una estrella central: la Nube G2 debería sobrevivir al pasaje por el periastro, y continuar siendo detectada al alejarse del agujero negro central de nuestra galaxia.

¿Siempre sirve la navaja de Occam?

La navaja de Occam o principio de parsimonia, es un criterio metodológico atribuido a William of Ockham, filósofo del siglo xiv, quien argumenta que cuando hay varias explicaciones para un fenómeno, siempre es preferible la explicación más simple o con menos componentes. Sin embargo, éste no es un criterio que necesariamente arroje el resultado correcto, pero es usado en el proceso científico para favorecer las teorías “más elegantes” sobre las “menos elegantes.” “Más elegantes” son aquellas con menos componentes que resultan en una construcción más atractiva.

Entonces, si aplicamos la navaja de Occam a los dos modelos para la Nube G2 antes de su periastro, el modelo de nube sola es preferible porque tiene menos componentes físicos que el de nube como viento de una estrella, que además de la nube tiene una estrella central no observada. Así pues, la mayoría de los estudios científicos de la comunidad astronómica optaba tentativamente por el modelo de nube sola, y esperaba que la Nube G2 desapareciera al pasar por el periastro de su órbita. Nosotros deseábamos lo contrario: que la Nube G2 sobreviviera. Esto, por supuesto, por el egoísta deseo de que nuestro artículo sobre G2 como estrella con viento, también sobreviviera al pasaje por el periastro.

Figura 2. Órbita de la Nube G2 alrededor del agujero negro central de nuestra galaxia. El agujero negro está en el origen del sistema de coordenadas (en el punto donde se cruzan las dos rectas punteadas), y las posiciones de la Nube G2 (desde el 2004 al 2016) están indicadas con las cruces. Las coordenadas muestran la distancia al agujero negro medidas en ua. La curva roja es un ajuste de una órbita elíptica a las posiciones observadas de G2. La nube pasó por el periastro (el punto de su órbita más cercano al agujero negro) a principios de 2014, y desde entonces se ha ido alejando del agujero negro central de nuestra galaxia.

La resolución de la intriga

El pasaje por el periastro de la Nube G2 fue a principios de 2014, y ya han pasado varios años y ¡la Nube G2 continúa detectándose, ahora alejándose en su órbita del agujero central de nuestra galaxia! La figura 2 muestra las posiciones de la Nube G2 respecto del agujero negro central de nuestra galaxia desde 2004 hasta 2016.

De esta manera, la aplicación de la navaja de Occam a los modelos pre-periastro de la Nube G2 llevaba a un resultado incorrecto: la elección del modelo más sencillo, con la única componente de una nube gaseosa. Si uno toma el conjunto de observaciones que tenemos hoy en día, incluyendo la supervivencia al pasaje por el periastro de la nube, concluimos que debe existir una estrella central que eyecta material que sustituye al gas que cae al agujero negro en el periastro. Durante su acercamiento al agujero negro, la estrella se quedó “pelona” (perdió la nube de gas que la rodeaba), pero no se ha podido observar directamente la estrella por la alta cantidad de polvo de esa región. ¡Esto no significa que el criterio de la navaja de Occam no sea válido! Con base en este criterio, uno elije el modelo más sencillo entre los modelos que son consistentes con los datos o las observaciones. Nuevos datos pueden estar en contra del modelo más sencillo (así funciona la ciencia). La navaja de Occam, en ese caso, nos permite elegir otro, entre los modelos remanentes.

Entonces, ¿cómo ha continuado la investigación sobre la Nube G2 después del paso por el periastro de su órbita? Una de las ideas que es explorada en la actualidad es que la estrella en el centro de la nube realmente es un sistema de una estrella rodeada por un disco de acreción; es decir, un disco de material que está cayendo gradualmente sobre la estrella en formación y que la nube sea material evaporado del disco. Otra posibilidad es que la estrella realmente sea un sistema binario con dos estrellas cercanas que intercambian masa, y parte de esta masa intercambiada crea la Nube G2. También se piensa que la Nube G1 (que pasó cerca del centro galáctico unos 10 años antes) sea un objeto asociado a G2.

A mediados de 2019 la zona cercana al agujero negro central de nuestra galaxia empezó a mostrar una mayor actividad, con una emisión en infrarrojo que se ha incrementado al doble en comparación con tiempos anteriores. Esto podría deberse a que el material que cayó de la Nube G2 en 2014 haya quedado orbitando cerca del agujero negro formando un disco aplanado alrededor de éste y ahora está siendo incorporado al agujero negro. El incremento de la masa caliente acretada por el agujero negro incrementa el brillo en infrarrojo.

A diferencia de muchas investigaciones astronómicas, el estudio de la interacción en el periastro de la Nube G2 con el agujero negro central de nuestra galaxia es un campo con un conjunto de observaciones “cerradas” en las que no habrá observaciones futuras, al menos dentro de nuestras vidas, dado que el periodo de su órbita es de unos 350 años. Para tener mejores observaciones con nuevos telescopios e instrumentos, deberemos esperar pacientemente a que otra nube parecida a G2 pase cerca del centro de nuestra galaxia. Dado que hubo un evento previo de este tipo (el pasaje de la Nube G1) unos 10 años antes que la Nube G2, podríamos estimar que el tiempo de espera para un nuevo evento sea similar. Así que si comemos en forma apropiada y no bebemos demasiado licor, es posible que estemos presentes para disfrutar de este futuro evento.