⚛️ general relativity

Improving constraints on the Yukawa correction at the Galactic Center with multiple stellar orbits

Al analizar datos astrométricos y espectroscópicos de múltiples estrellas (S2, S55, S29, S38 y S301) que orbitan el agujero negro supermasivo del Centro Galáctico, este estudio mejora significativamente las restricciones sobre una corrección de tipo Yukawa a la gravedad Newtoniana, logrando un límite cinco veces más estrecho en la fuerza de acoplamiento en comparación con análisis previos de una sola estrella y estableciendo los límites más estrictos hasta la fecha tanto en escalas de distancia cortas como largas.

Autores originales: GRAVITY+ Collaboration, :, A. Foschi, K. Abd El Dayem, N. Aimar, A. Berdeu, J. -P. Berger, G. Bourdarot, W. Brandner, Y. Cao, C. Correia, S. Cueves Cardona, R. Davies, D. Defrère, F. Delplancke-Ströb

Publicado 2026-09-09

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CC BY 4.0

Autores originales: GRAVITY+ Collaboration, :, A. Foschi, K. Abd El Dayem, N. Aimar, A. Berdeu, J. -P. Berger, G. Bourdarot, W. Brandner, Y. Cao, C. Correia, S. Cueves Cardona, R. Davies, D. Defrère, F. Delplancke-Ströbele, A. Drescher, F. Eisenhauer, L. Esteras~Otal, M. Fabricius, H. Feuchtgruber, S. Flesch, N. M. Förster Schreiber, Q. Fournier, P. Garcia, R. Garcia Lopez, R. Genzel, S. Gillessen, F. Gonté, X. Haubois, S. F. Hönig, M. Houllé, S. Joharle, J. Kammerer, A. Kaufer, P. Kervella, L. Kreidberg, L. Labadie, S. Lacour, O. Lai, R. Laugier, J. -B. Le Bouquin, J. Leftley, R. Li, B. Lopez, D. Lutz, F. Mang, A. Mérand, F. Millour, M. Montargès, N. Morujão, H. Nowacki, M. Nowak, J. Osorno, T. Ott, S. Pappert, C. Paladini, T. Paumard, K. Perraut, G. Perrin, R. Petrov, N. Pourré, S. Rabien, D. C. Ribeiro, S. Robbe-Dubois, M. Sadun Bordoni, J. Sanchez-Bermudez, J. Sauter, J. Scigliuto, J. Shangguan, T. T. Shimizu, F. Soulez, S. Spezzano, C. Straubmeier, E. Sturm, M. Subroweit, C. Sykes, L. J. Tacconi, P. Thévenet, I. Urso, F. H. Vincent, J. Woillez, G. Zins

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

La gravedad es la fuerza que mantiene unido nuestro mundo, la mano invisible que mantiene a los planetas en sus trayectorias y a las manzanas cayendo de los árboles. Durante más de un siglo, nuestra mejor descripción de esta fuerza ha sido la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein, un marco que ha superado cada prueba que le hemos lanzado, desde la curvatura de la luz estelar hasta las ondulaciones del espacio-tiempo causadas por el choque de agujeros negros. Sin embargo, a pesar de su éxito, la teoría deja algunos misterios cósmicos sin resolver, como la naturaleza de la materia oscura y la extraña aceleración de la expansión del universo. Debido a estas lagunas, los científicos se han preguntado durante mucho tiempo si la gravedad se comporta de manera ligeramente diferente en entornos extremos o a distancias muy específicas. Una idea popular sugiere que la gravedad podría tener un pequeño "empuje" o "tirón" adicional que se desvanece rápidamente con la distancia, un concepto conocido como corrección de Yukawa. Si tal fuerza existiera, sería una quinta fuerza de la naturaleza, distinta de las cuatro que ya conocemos, y encontrarla reescribiría las leyes de la física.

Para cazar esta fuerza elusiva, los astrónomos han dirigido sus ojos más potentes hacia el centro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Allí, oculto tras nubes de polvo, se encuentra un agujero negro supermasivo, un monstruo de gravedad tan denso que ni siquiera la luz puede escapar de él. Orbitando este agujero negro hay varias estrellas, moviéndose a velocidades increíbles en trayectorias que las acercan peligrosamente al horizonte de sucesos. Al observar cómo se mueven estas estrellas, los científicos pueden medir la fuerza de la gravedad en un régimen mucho más intenso que cualquier cosa encontrada en nuestro sistema solar. Si la extra "quinta fuerza" existe, desviaría a estas estrellas de sus trayectorias esperadas, dejando una sutil huella en su movimiento que nuestras teorías actuales no pueden explicar.

Un nuevo estudio liderado por la Colaboración GRAVITY+ ha llevado esta búsqueda a un nuevo nivel de precisión. En lugar de depender del movimiento de una sola estrella, como habían hecho estudios anteriores, el equipo combinó datos de cinco estrellas diferentes que orbitan el agujero negro central. Utilizaron una colección masiva de observaciones recopiladas durante más de tres décadas, desde 1992 hasta 2025, registradas por varios instrumentos avanzados del Very Large Telescope en Chile. Este conjunto de datos incluye la conocida estrella S2, que ha sido rastreada durante años, pero crucialmente, también incorpora datos sobre otras cuatro estrellas, incluyendo una recién descubierta llamada S301. Esta nueva estrella es particularmente valiosa porque se sumerge mucho más cerca del agujero negro de lo que lo hace S2, permitiendo al equipo probar la gravedad a distancias que antes eran imposibles de sondear.

Los investigadores construyeron un complejo modelo computacional para simular las órbitas de estas cinco estrellas, teniendo en cuenta las leyes conocidas de la gravedad así como la potencial fuerza adicional. Luego compararon sus simulaciones con las observaciones reales para ver si las estrellas se movían exactamente como se predecía o si mostraban signos de ser arrastradas por algo más. Los resultados fueron un triunfo de la precisión. El equipo no encontró evidencia de esta fuerza extra. De hecho, al combinar los datos de las cinco estrellas, pudieron descartar la existencia de esta quinta fuerza con mucha mayor certeza que nunca. Determinaron que, si tal fuerza existe, su fuerza debe ser increíblemente débil, muy por debajo del umbral que afectaría las órbitas de las estrellas de alguna manera perceptible.

El poder de este estudio reside en la variedad de las estrellas utilizadas. Mientras que los datos de la estrella S2 por sí solos proporcionaron un límite muy estricto sobre la fuerza a una distancia específica, añadir las otras estrellas permitió a los científicos probar un rango de distancias mucho más amplio. La estrella S29, que viaja en una órbita mucho más amplia, ayudó a establecer límites estrictos sobre cómo la fuerza podría comportarse a grandes distancias. Por el contrario, la recién descubierta S301, con su trayectoria estrecha y cercana, permitió al equipo probar la fuerza a rangos muy cortos, una región que estudios previos no podían observar. El equipo encontró que, a una distancia de aproximadamente 100 unidades astronómicas del agujero negro, la fuerza de cualquier fuerza extra de este tipo debe ser menor a seis diez milésimas de la fuerza de la gravedad normal. A distancias aún más cercanas, los límites se volvieron aún más estrictos.

Este trabajo representa la prueba más rigurosa de la gravedad jamás realizada alrededor de un agujero negro supermasivo. Al estrechar las restricciones sobre esta potencial quinta fuerza, el estudio cierra efectivamente la puerta a una amplia clase de teorías que predicen que tal fuerza sería lo suficientemente fuerte como para ser detectada en el centro galáctico. Mientras la búsqueda de desviaciones de la teoría de Einstein continúa, este nuevo análisis confirma que, al menos en el violento vecindario del agujero negro central de la Vía Láctea, la gravedad se comporta exactamente como predice la Relatividad General. Las estrellas danzan al ritmo de las leyes conocidas y, por ahora, la música permanece sin cambios.

Resumen Técnico: Mejora de las restricciones sobre la corrección de Yukawa en el Centro Galáctico mediante múltiples órbitas estelares

Problema y Motivación
Si bien la Relatividad General (RG) sigue siendo la teoría de la gravedad validada en las escalas del Sistema Solar y mediante observaciones de ondas gravitacionales, las deficiencias teóricas —tales como el problema de la constante cosmológica, la materia oscura y la falta de una completitud cuántica— motivan la búsqueda de desviaciones. Una clase específica de desviaciones involucra una corrección de tipo Yukawa al potencial Newtoniano, caracterizada por una fuerza de interacción $\alpha$ y una longitud de escala $\lambda$ . Esta corrección surge genéricamente en el límite de campo débil de las Teorías de la Gravedad Extendida (ETG, por sus siglas en inglés) y en modelos de materia oscura con mediadores ligeros.

Aunque las pruebas en el Sistema Solar proporcionan restricciones estrictas sobre $\alpha$ , muchas teorías invocan mecanismos de cribado (screening) que suprimen estos efectos en entornos de baja curvatura como el Sistema Solar. En consecuencia, el Centro Galáctico (GC), dominado por el agujero negro supermasivo SgrA*, ofrece un entorno de alta curvatura distinto para investigar estas correcciones. El trabajo previo (Artículo I) estableció restricciones utilizando la órbita de la estrella S2 por sí sola, pero la sensibilidad de una estrella al término de Yukawa está limitada por sus radios orbitales: si $\lambda$ es mucho menor que el pericentro, la fuerza se suprime exponencialmente; si $\lambda$ es mucho mayor que el apoastro, el efecto se vuelve degenerado con un reescalado de la masa central.

Metodología
Los autores presentan un análisis multiestelar que combina datos astrométricos y espectroscópicos de cinco estrellas: S2, S55, S29, S38 y la recientemente descubierta S301. El conjunto de datos abarca desde 1992 hasta 2025 y utiliza observaciones de instrumentos del VLT, incluyendo NACO, SINFONI, GRAVITY, ERIS y la versión mejorada GRAVITY+.

Composición de los datos:
- S2: 129 puntos astrométricos de NACO y 82 de GRAVITY; 92 puntos de velocidad radial (RV) de SINFONI y 2 de ERIS (1992–2022).
- S29, S38, S55: Astrometría combinada de NACO y GRAVITY con datos de RV de SINFONI/ERIS/GNIRS (2002–2022).
- S301: 19 puntos astrométricos reales de GRAVITY+ (2023.3–2025.4). Para restringir la órbita completamente, particularmente el paso por el periastro, los autores generaron un conjunto de datos simulados (mock dataset) de 32 puntos adicionales (cubriendo 2017.4–2023.3 y 2025.9–2030) con incertidumbres que promedian $\sigma \approx 50$ mas. No se disponía de mediciones de RV para S301.
Modelo: El potencial gravitatorio se modela como $U = -GM/r (1 + |\alpha|e^{-r/\lambda})$ . El análisis incorpora la corrección de Yukawa junto con la precesión de Schwarzschild de primer orden (1PN). Las ecuaciones de movimiento se integran utilizando el código OOGRE (Osculating Orbits in General Relativistic Environments), que tiene en cuenta el retraso de Rømer, el desplazamiento Doppler relativista, el corrimiento al rojo gravitacional y el movimiento del Sistema Solar.
Análisis: Se realiza un análisis de Monte Carlo por cadenas de Markov (MCMC) utilizando el paquete emcee. La longitud de escala de Yukawa $\lambda$ se mantiene fija en el rango $10^{11} \le \lambda \le 10^{16}$ m, mientras que la intensidad $|\alpha|$ y los parámetros orbitales para cada estrella (junto con los parámetros compartidos $M_\bullet$ , $R_0$ y los desplazos de los conjuntos de datos) se resuelven. Los límites superiores de confianza del 95% para $|\alpha|$ se derivan de las distribuciones posteriores.

Contribuciones Clave y Resultados
La contribución principal es la extensión de las restricciones de Yukawa a longitudes de escala previamente inaccesibles para los análisis de una sola estrella, aprovechando la diversidad de los parámetros orbitales del cúmulo de estrellas S.

Mejora de las restricciones en las escalas de S2: La inclusión de S55, S29 y S38 reduce la incertidumbre estadística en $|\alpha|$ en el rango explorado por S2 ( $\lambda \sim 10^{13} - 10^{14}$ m). El límite más estricto se encuentra en $\lambda = 3 \cdot 10^{13}$ m ( $\sim 200$ UA), donde $|\alpha| < 6 \cdot 10^{-4}$ . Esto representa una mejora de aproximadamente un factor de cinco respecto al análisis de solo S2 en el Artículo I.
Restricciones de corto alcance vía S301: La inclusión de S301, que tiene un pericentro aproximadamente diez veces más pequeño que el de S2, permite obtener restricciones en el régimen de corto alcance ( $\lambda \sim 10^{11} - 10^{12}$ m). El análisis arroja $|\alpha| < 0.004$ en $\lambda = 10^{12}$ m y $|\alpha| < 0.006$ en $\lambda = 5 \cdot 10^{11}$ m. Estos son los límites más estrictos obtenidos hasta la fecha alrededor de un SMBH en estas longitudes de escala, mejorando las estimaciones previas por varios órdenes de magnitud.
Restricciones de largo alcance vía S29: El mayor apoastro de S29 (aproximadamente 8 veces el de S2) permite restricciones en escalas mayores ( $\lambda \gtrsim 10^{15}$ m) donde el término de Yukawa era previamente degenerado con la masa central. El estudio encuentra $|\alpha| < 0.1$ en $\lambda \sim 2 \cdot 10^{15}$ m.
Límites de sensibilidad: Para $\lambda \lesssim 10^{11}$ m, la supresión exponencial del término de Yukawa impide restricciones significativas. Para $\lambda \gg 10^{15}$ m, el término es absorbido en un reescalado de $M_\bullet$ , lo que provoca que las restricciones se degraden.

Significancia
El artículo sostiene que, si bien las pruebas en el Sistema Solar siguen siendo más estrictas en longitudes de escala comparables (por ejemplo, $|\alpha| \lesssim 10^{-10}$ para $\lambda \sim 10^{11}$ m), el Centro Galáctico proporciona un campo de prueba único. Este explora un entorno donde los mecanismos de cribado invocados por diversas teorías pueden comportarse de manera diferente, y que es inaccesible para los experimentos del Sistema Solar por definición. Los resultados representan los límites más estrictos sobre las correcciones de Yukawa alrededor de un agujero negro supermasivo hasta la fecha, demostando la necesidad del ajuste multiestelar para romper las degeneraciones y extender el espacio de parámetros explorado. Los autores enfatizan que la inclusión de S301 es crítica para acceder al régimen de corto alcance, mientras que S29 es esencial para el régimen de largo alcance, destacando la naturaleza complementaria de la población de estrellas S.

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