¿Cómo sabemos que las estrellas que orbitan Sgr A* están orbitando un agujero negro supermasivo y no solo el centro de masa de la Vía Láctea?

La gravedad obedece a algo llamado Ley de Gauss , que establece que la aceleración gravitacional es proporcional a la masa encerrada . Entonces, aunque la masa total de la vía láctea es muy grande, cuando estás muy cerca del centro, la masa que afecta la gravedad es mucho menor. La gravedad de todo lo que está fuera del área cerrada termina (más o menos) anulándose. Lo mismo se aplica a otros objetos, como el sol o la tierra: si hicieras un túnel en cualquiera de ellos, la aceleración gravitacional disminuiría.

Los objetos orbitan alrededor de su baricentro . El baricentro siempre está más cerca del objeto más masivo. Si la diferencia de masas es muy grande, puede estar dentro del objeto más masivo (como el baricentro Tierra/Sol dentro del Sol).

Pero el baricentro también puede estar fuera de cualquier objeto en un grupo unido gravitacionalmente. Si hay muchos objetos y tienen aproximadamente la misma masa, uno esperaría que los objetos del grupo interactuaran entre sí de formas más complicadas y difíciles de predecir que si hubiera un solo objeto masivo en el centro.

Tal es el caso de los cúmulos globulares , que son grupos esféricos de estrellas que pueden, en algunos casos, orbitar alrededor de sus baricentros de grupo. Predecir o incluso estudiar las trayectorias de estrellas individuales en estos cúmulos es complicado por el problema de los n cuerpos , los vastos recursos computacionales necesarios para trazar la interacción gravitacional de 3 o más objetos. Se han observado estrellas en cúmulos globulares siguiendo caminos inusuales que pueden cambiar de forma con el tiempo.

El movimiento de las estrellas alrededor del núcleo galáctico de un disco espiral como la Vía Láctea es más regular que el movimiento de las estrellas en los cúmulos globulares. Esta es una indicación de que un solo objeto masivo es el atractor en el centro de la Vía Láctea.

Además de las otras respuestas dadas, debo agregar que la energía que observamos del GC es la de alguna masa muy exótica como una estrella de bosón o la de un agujero negro supermasivo. Sabemos matemáticamente que es mucho más probable que se forme un agujero negro que este tipo de objetos. Aquí hay un diagrama que muestra el progreso para concretar esto a lo largo del tiempo con radios de Schwarzschild para la masa estimada del SMBH en la parte superior del eje x y la densidad de la masa central en el eje y. Los astrónomos esencialmente lo han precisado para estar en la parte superior izquierda de lo siguiente:

(Schoedel et al., 2003)

Las observaciones recientes muestran con una precisión cada vez mayor que, de hecho, es un SMBH. Esto, por supuesto, ignora nuestra reciente evidencia fotográfica de un agujero negro.

Los núcleos galácticos activos (AGN) muestran propiedades que son muy indicativas de un agujero negro, por ejemplo, los chorros que emite el agujero negro.

La masa altamente centralizada también se muestra en las estrellas de hipervelocidad (miembros de sistemas binarios que orbitan cerca del SMBH que se interrumpen y salen volando de la galaxia a cientos de kilómetros por segundo). Sabemos que las estrellas de hipervelocidad provienen de esta situación porque la densidad numérica de estrellas jóvenes y calientes es muy alta cerca del centro galáctico. Se dan las condiciones para que sea común la producción de nuevas estrellas de tipo O y B, y ya sabemos que los sistemas binarios ya son comunes en todo el universo.

Finalmente, observamos interrupciones de las mareas que involucran el desgarramiento de las estrellas por mareas que se acercan demasiado al agujero negro central, y al observar la masa encerrada como una función del radio del GC, vemos que se aplana en$r=0$, que indica de nuevo la masa centralizada.

Espero que esta respuesta proporcione suficientes detalles, sin entrar necesariamente en detalles matemáticos.