La caza de la estrella más rápida de la Galaxia
Contexto
En el centro de la Galaxia, decenas de estrellas orbitan alrededor del agujero negro supermasivo Sgr A*, y son precisamente ellas las que han permitido las pruebas más sólidas de la relatividad general en el campo de un agujero negro hasta la fecha: el corrimiento al rojo gravitacional y la precesión de Schwarzschild de la estrella S2. Sin embargo, S2 pasa por el pericentro a unos 1400 radios de Schwarzschild y su período es de 16 años. La recientemente descubierta estrella S301 tiene un período dos veces más corto (8,68 años), está diez veces más cerca del horizonte (136 radios de Schwarzschild) y se mueve en el pericentro a 25 600 km/s, lo que la convierte en la estrella más rápida conocida de la Galaxia. Una órbita así debería precesar notablemente más rápido que la de S2, pero S301 es más de cien veces más débil, por lo que solo se puede seguir mediante astrometría interferométrica con el conjunto GRAVITY+. La cuestión es si la astrometría por sí sola bastará para medir con seguridad la precesión en dos pasos por el pericentro, teniendo en cuenta que el primero de ellos, en 2031, queda oculto tras el Sol.
Métodos
Los autores han construido el pipeline completo que se necesitará para la solicitud de tiempo de observación. Tomaron los elementos orbitales publicados de S301 de la solución de la colaboración GRAVITY de 2026, desarrollaron un modelo relativista de la curva de luz con el factor Doppler exacto y el corrimiento al rojo gravitacional, y compararon cuatro esquemas de cadencia con un presupuesto fijo de 131 épocas. El esquema óptimo D reserva el 40% de las épocas para ventanas de ±20 días alrededor de ambos pericentros, y distribuye las épocas restantes mediante una búsqueda voraz según el criterio de Fisher promediado sobre las incertidumbres de los elementos orbitales. El ajuste incluye siete parámetros: seis elementos keplerianos y la velocidad de precesión, y el retardo de propagación de la luz de la estrella se tiene en cuenta de forma exacta mediante iteraciones newtonianas. Los errores sistemáticos se modelan en tres niveles: términos que pueden incluirse en el ajuste (punto de referencia de Sgr A*, masa y distancia), términos que pueden restringirse e introducirse como desplazamientos (masa extendida, lente gravitacional, confusión de fuentes) y ruidos correlacionados (derivas de calibración y fotocentro errante de Sgr A*), que se evalúan mediante 40 realizaciones independientes.
Resultados
Con ruido blanco de 207 microarcosegundos por época, alcanzado en S301 en los datos del descubrimiento, el ajuste recupera la velocidad de precesión introducida de 0,2307 grados por año como 0,2324±0,0023 grados por año, es decir, con una significancia formal de 96 sigma. Si GRAVITY+ alcanza los 100 microarcosegundos previstos, la precisión mejora a ±0,0012 grados por año. Sin embargo, el ruido real no es blanco. Añadir derivas de calibración de 60 microarcosegundos por pasada y ruido rojo del fotocentro de Sgr A* con una amplitud de 50 microarcosegundos y un tiempo de correlación de medio año aumenta la dispersión en un factor de 2,09. La marginalización conjunta sobre el punto de referencia, la masa y la distancia, la adición de desplazamientos restringidos en cuadratura y la inflación empírica por sqrt(χ²_red)=1,47 de los ajustes reales de GRAVITY dan una precisión final de 0,0074 grados por año, lo que supone el 3,2% de la señal y corresponde a una detección a 31 sigma. El deslumbramiento solar oculta el primer pericentro durante 153 días, pero esto solo degrada el período y la época del pericentro, no la velocidad de precesión. Las velocidades radiales son inalcanzables con el brillo de S301 (mK=19,3), y la fotometría solo confirma el modelo de la curva de luz: χ²/N=1,05.
Implicaciones
El trabajo demuestra que la astrometría con GRAVITY+ por sí sola puede proporcionar una prueba independiente de la relatividad general en el campo de un agujero negro supermasivo, sin necesidad de conocer su espín. A diferencia de estudios vecinos que o bien modelan muchas estrellas para extraer la precesión de Lense-Thirring, o bien analizan datos ya obtenidos de S2, aquí se elabora por primera vez en detalle una estrategia de observación para la estrella más extrema, S301, en dos futuros pasos por el pericentro. La principal diferencia con los trabajos sobre S2 es la escala: el pericentro de S301 está diez veces más cerca, la velocidad de precesión es un orden de magnitud mayor y, por tanto, los requisitos de sistemática son más estrictos. Los autores muestran honestamente que el espín del agujero negro podría desplazar la magnitud medida en un 5–6%, y por ello denominan a la prueba agnóstica respecto al espín, dejando la medición del espín para el enfoque de múltiples estrellas.
Desarrollo futuro
Si la campaña se aprueba y se lleva a cabo, proporcionará la primera medición directa de la precesión de Schwarzschild en una estrella con un pericentro de solo 136 radios de Schwarzschild. En el futuro, la adición de velocidades radiales con instrumentos como HARMONI en el Telescopio Extremadamente Grande permitirá romper la degeneración masa-distancia y restringir aún más los parámetros orbitales. El método de múltiples estrellas, desarrollado en un trabajo paralelo, podrá utilizar S301 como uno de los anclajes para extraer la contribución del espín mediante la precesión de Lense-Thirring. Por último, la acumulación de épocas después de 2041 convertirá las observaciones en un monitoreo a largo plazo que comprobará la estabilidad de la precesión en escalas de décadas.
Impacto
El resultado influirá en la planificación de los programas de observación de GRAVITY+ y de los futuros instrumentos para el centro galáctico, así como en la estrategia para probar la relatividad general en campo fuerte.
Próximos pasos
Solicitar tiempo de observación con GRAVITY+ para la campaña de 2028–2041 con la cadencia propuesta. En paralelo, preparar el canal espectroscópico en ELT/HARMONI para el segundo pericentro en 2040.
Problemas abiertos clave
Para la astrofísica del centro galáctico, el problema clave no resuelto sigue siendo la medición del espín del agujero negro supermasivo Sgr A*. Este trabajo no lo resuelve directamente, pero crea la base necesaria: un pipeline verificado de astrometría y presupuesto de errores para la estrella más rápida, que posteriormente puede incluirse en un análisis de múltiples estrellas para extraer la precesión de Lense-Thirring. Otro problema abierto es la contribución de la masa extendida dentro de la órbita de S2, que aquí se restringe pero no se excluye por completo.
S301 se mueve en el pericentro a 25 600 km/s, más de 14 veces más rápido que la sonda espacial más rápida jamás lanzada por el ser humano. Si una estrella así tuviera que viajar de la Tierra a la Luna, recorrería esa distancia en 15 segundos.
En la novela «La luz de las estrellas lejanas» de Greg Egan se describe una civilización que vive en un planeta alrededor de un agujero negro supermasivo, donde la precesión orbital afecta al clima. Aquí ocurre la misma física, pero observada desde una distancia segura.
Cifras clave
- velocidad en el pericentro: 25 600 km/s (8% de la velocidad de la luz)
- distancia en el pericentro: 136 radios de Schwarzschild
- velocidad de precesión: 0,2307 grados por año
- precisión final: 0,0074 grados por año (31 sigma)
- duración del deslumbramiento solar: 153 días