Los investigadores realizaron un experimento de 16 años para desafiar la teoría general de la relatividad de Einstein. El equipo internacional observó las estrellas, un par de estrellas extremas llamadas púlsares, a través de siete radiotelescopios en todo el mundo. Crédito: Instituto Max Planck de Radioastronomía
Han pasado más de cien años desde que Einstein formalizó su teoría de la relatividad general (RG), la teoría geométrica de la gravedad que ha revolucionado nuestra comprensión del universo. Sin embargo, los astrónomos todavía están sujetos a pruebas rigurosas, con la esperanza de encontrar desviaciones de esta teoría bien establecida. La razón es simple: cualquier indicador de física más allá de GR abriría nuevas ventanas en el universo y ayudaría a resolver algunos de los misterios más profundos sobre el universo.
Una de las pruebas más rigurosas de la historia fue realizada recientemente por un equipo internacional de astrónomos dirigido por Michael Kramer del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn, Alemania. Usando siete radiotelescopios de todo el mundo, Kramer y sus colegas han observado un par único de púlsares durante 16 años. En el proceso, observaron los efectos predichos por los GR por primera vez, y con salud ¡Al menos el 99,99%!
Además de los investigadores de MPIfR, Kramer y sus colegas se unieron a investigadores de instituciones en diez países diferentes, incluido el Centro de Astrofísica Jodrell Bank (Reino Unido), el Centro de Excelencia ARC para Detección de Ondas Gravitacionales (Australia) y el Ocean Instituto. For Theoretical Physics (Canadá), Observatorio de París (Francia), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italia), Observatorio de Radioastronomía de Sudáfrica (SARAO), Instituto Holandés de Radioastronomía (ASTRON) y Observatorio de Arecibo.
Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente y emiten haces estrechos de barrido de ondas de radio. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA
Los “radio púlsares” son una clase especial de estrellas de neutrones que giran rápidamente y son altamente magnéticas. Estos objetos ultradensos emiten poderosos rayos de radio desde sus polos que (cuando se combinan con su rápida rotación) crean un poderoso efecto similar a un faro. Los astrónomos están fascinados con los púlsares porque brindan una gran cantidad de información sobre la física que gobierna los objetos ultrapequeños, los campos magnéticos, el medio interestelar (ISM), la física planetaria e incluso la cosmología.
Además, las intensas fuerzas gravitatorias permiten a los astrónomos probar las predicciones hechas por teorías gravitatorias como GR y Dinámica newtoniana modificada (MOND) bajo algunas de las condiciones más duras imaginables. Para su estudio, Kramer y su equipo examinaron PSR J0737-3039 A/B, un sistema de “doble estrella” ubicado a 2400 años luz de la Tierra en constelación de muñecas.
Este sistema es la única radio púlsar binario nunca y fue descubierto en 2003 por miembros del equipo de investigación. Los dos púlsares que componen este sistema tienen revoluciones rápidas, 44 veces por segundo (A), una vez cada 2,8 segundos (B), y se orbitan entre sí durante solo 147 minutos. Si bien es aproximadamente un 30% más grande que el Sol, tiene solo unos 24 km (15 millas) de diámetro. De ahí su intensa gravedad y sus intensos campos magnéticos.
Además de estas propiedades, el período orbital rápido de este sistema lo convierte en un laboratorio casi perfecto para probar teorías gravitacionales. Como dijo el profesor Kramer en un comunicado de prensa reciente para MPIfR:
“Hemos estudiado un sistema de estrellas comprimidas y somos un laboratorio inigualable para probar teorías de la gravedad en presencia de campos gravitatorios muy fuertes. Para nuestro deleite, hemos podido probar la piedra angular de la teoría de Einstein, la energía que transporta. ondas gravitacionales, con una precisión 25 veces mejor que la del púlsar Hulse-Taylor, ganador del Premio Nobel, y 1000 veces mejor que lo que actualmente es posible con los detectores de ondas gravitacionales”.
Impresión artística de la trayectoria de la estrella S2 pasando cerca de Sagitario A*, que también permite a los astrónomos probar las predicciones hechas por la relatividad general en condiciones extremas. Crédito: ESO/M. Kornmeiser
Se utilizaron siete radiotelescopios para la campaña de observación de 16 años, incluido el radiotelescopio Parkes (Australia), el telescopio Green Bank (EE. UU.), el radiotelescopio Nansai (Francia), el telescopio Eiffelberg 100m (Alemania), el radiotelescopio Lovell (Reino Unido), Radiotelescopio de síntesis Westerbork (Países Bajos) y Very Long Core Array (EE. UU.).
Estos observatorios cubrieron diferentes partes del espectro de radio, desde 334 MHz y 700 MHz hasta 1300 – 1700 MHz, 1484 MHz y 2520 MHz. Al hacerlo, pudieron ver cómo los fotones provenientes de este púlsar binario se veían afectados por su fuerte gravedad. Como explicó la profesora Ingrid Stiers de la Universidad de Columbia Británica (UBC) en Vancouver, coautora del estudio:
“Seguimos la propagación de fotones de radio emitidos por una baliza cósmica, un púlsar, y rastreamos su movimiento en el fuerte campo gravitatorio de un púlsar compañero. Vemos por primera vez cómo la luz se retrasa no solo por la fuerte curvatura del espacio. tiempo alrededor de un compañero, sino también que la luz se desvía en un pequeño ángulo de 0,04 grados. Podemos su descubrimiento. Tal experimento nunca se había hecho antes en una curvatura tan alta del espacio-tiempo”.
Como agregó el coautor, el profesor Dick Manchester de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO) de Australia, el rápido movimiento orbital de objetos compactos como estos les permitió probar siete predicciones diferentes sobre GR. Estos incluyen ondas gravitacionales, propagación de la luz (“retraso y curvatura de la luz de Shapiro), dilatación del tiempo y la ecuación masa-energía (E = mc).2), y cuál es el efecto de la radiación electromagnética en el movimiento orbital de un púlsar.
El telescopio Robert C. Bird Green Bank (GBT) en Virginia Occidental. Crédito: GBO/AUI/NSF
“¡Esta radiación equivale a una pérdida colectiva de 8 millones de toneladas por segundo!” Él dijo. “Aunque parece mucho, es una pequeña fracción, 3 partes por mil billones (!), de la masa de un púlsar por segundo”. Los investigadores también realizaron mediciones muy precisas de los cambios en la orientación orbital de los púlsares, un efecto relativista observado por primera vez con la órbita de Mercurio, y uno de los misterios que la teoría GR de Einstein ayudó a resolver.
Solo que aquí, el efecto fue 140.000 veces más fuerte, lo que llevó al equipo a darse cuenta de que también necesitaban considerar el efecto de la rotación del púlsar en el espacio-tiempo circundante, también conocido como. Efecto Lense-Thirring, o “arrastrar el marco”. El Dr. Norbert Weeks de MPIfR, otro autor principal del estudio, también permitió otro avance:
“Esto significa, según nuestra experiencia, que debemos considerar la estructura interna de un púlsar como un estrella neutrón. Por lo tanto, nuestras mediciones nos permiten por primera vez utilizar un seguimiento preciso de los ciclos de las estrellas de neutrones, una técnica que llamamos sincronización de púlsares para proporcionar restricciones en la extensión de la estrella de neutrones”.
Otro resultado valioso de este experimento fue cómo el equipo combinó técnicas de monitoreo complementarias para obtener mediciones de distancia de alta precisión. Estudios similares a menudo se han visto obstaculizados por estimaciones de distancia deficientes en el pasado. Al combinar la tecnología de sincronización de púlsares con mediciones de interferometría precisas (y efectos ISM), el equipo obtuvo un resultado de alta resolución de 2400 años luz con un margen de error del 8 %.
Ilustración artística de dos estrellas de neutrones fusionándose. Los haces estrechos representan un estallido de rayos gamma, mientras que la red de espacio-tiempo ondulante denota las ondas gravitacionales opuestas que caracterizan la fusión. Crédito: NSF/LIGO/Universidad Estatal de Sonoma/A. simonet
Al final, los resultados del equipo no solo fueron consistentes con GR, sino que también pudieron ver efectos que no podrían haberse estudiado antes. Como Paulo Freire, otro coautor del estudio (también de MPIfR) expresó:
“Nuestros resultados complementan bien otros estudios experimentales que prueban la gravedad en otras condiciones o ven diferentes efectos, como los detectores de ondas gravitacionales o el Event Horizon Telescope. También complementan otros experimentos de púlsares, como nuestro experimento de sincronización con un púlsar en un sistema estelar triple. , que proporcionó una prueba independiente (y fascinante) de la universalidad de la caída libre”.
“Hemos alcanzado un nivel de precisión sin precedentes”, concluyó el profesor Kramer. Los experimentos futuros con telescopios más grandes podrían y seguirán yendo más allá. Nuestro trabajo ha mostrado la forma en que tales experimentos deben llevarse a cabo y qué efectos exactos deben tenerse en cuenta ahora. Quizás algún día encontremos una desviación de la relatividad general”.
El artículo que describe su investigación apareció recientemente en la revista X. revisión físicaY
Publicado originalmente en universo hoy.
Para saber más sobre esta investigación:
Referencia: “Pruebas de gravedad de campo fuerte usando la estrella doble” por M. Kramer et al. 13 de diciembre de 2021, X. revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050
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