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| Los investigadores han llevado a cabo un experimento de 16 años de duración para cuestionar la teoría de la relatividad general de Einstein. El equipo internacional observó las estrellas -un par de estrellas extremas llamadas púlsares, para ser exactos- a través de siete radiotelescopios repartidos por todo el mundo. Crédito: Instituto Max Planck de Radioastronomía |
La física gravitacional se describe con mayor precisión mediante la teoría general de la relatividad (RG) de Einstein. Sin embargo, los intentos fallidos de unificar la gravitación y la mecánica cuántica, que describen la naturaleza en las escalas más grandes y más pequeñas, motivan la búsqueda permanente de posibles desviaciones de la RG mediante pruebas rigurosas con diferentes experimentos, desde los laboratorios hasta las observaciones astronómicas. Si existen desviaciones de la RG, podrían ser detectables en campos gravitatorios fuertes de objetos compactos, como las estrellas de neutrones y los agujeros negros.
Investigadores de la Universidad de East Anglia y de la Universidad de Manchester han colaborado en la realización de un experimento de 16 años de duración para cuestionar la teoría de la relatividad general de Einstein.
El equipo internacional miró a las estrellas, un par de estrellas extremas llamadas púlsares, a través de siete radiotelescopios repartidos por todo el mundo.
Se utilizaron siete radiotelescopios sensibles para observar este doble púlsar en Australia, Estados Unidos, Francia, Alemania, Países Bajos y Reino Unido (el radiotelescopio Lovell).
El estudio, publicado hoy en la revista Physical Review X, revela nuevos efectos relativistas que, aunque esperados, se han observado ahora por primera vez.
El sistema de púlsares dobles PSR J0737-3039A/B es un sistema binario eclipsante de dos líneas.
El Dr. Robert Ferdman, de la Escuela de Física de la UEA, dijo: "Por muy espectacularmente exitosa que haya sido la teoría de la relatividad general de Einstein, sabemos que no es la última palabra en la teoría gravitacional".
"Más de 100 años después, científicos de todo el mundo siguen esforzándose por encontrar fallos en su teoría".
"La relatividad general no es compatible con las otras fuerzas fundamentales, descritas por la mecánica cuántica. Por lo tanto, es importante seguir poniendo las pruebas más estrictas posibles a la relatividad general, para descubrir cómo y cuándo se rompe la teoría."
"Encontrar cualquier desviación de la relatividad general constituiría un gran descubrimiento que abriría una ventana a una nueva física más allá de nuestra actual comprensión teórica del Universo."
"Y podría ayudarnos a descubrir finalmente una teoría unificada de las fuerzas fundamentales de la naturaleza".
Dirigido por Michael Kramer, del Instituto Max Planck de Radioastronomía de Bonn (Alemania), el equipo internacional de investigadores de diez países sometió la teoría de Einstein a las pruebas más rigurosas hasta la fecha.
El Dr. Ferdman dijo: "Un púlsar es una estrella compacta en rotación altamente magnetizada que emite haces de radiación electromagnética por sus polos magnéticos".
"Pesan más que nuestro sol, pero sólo tienen unos 25 kilómetros de diámetro, por lo que son objetos increíblemente densos que producen haces de radio que barren el cielo como un faro".
"Estudiamos un púlsar doble, que fue descubierto por miembros del equipo en 2003 y presenta el laboratorio más preciso que tenemos actualmente para probar la teoría de Einstein. Por supuesto, su teoría fue concebida cuando ni este tipo de estrellas extremas, ni las técnicas utilizadas para estudiarlas, podían imaginarse."
El púlsar doble está formado por dos púlsares que orbitan entre sí en apenas 147 minutos con velocidades de alrededor de 1 millón de km/h. Uno de los púlsares gira muy rápido, unas 44 veces por segundo. El compañero es joven y tiene un periodo de rotación de 2,8 segundos. Su movimiento alrededor del otro puede servir de laboratorio gravitatorio casi perfecto.
El profesor Kramer dijo: "Estudiamos un sistema de estrellas compactas que constituye un laboratorio inigualable para probar las teorías de la gravedad en presencia de campos gravitatorios muy fuertes".
"Para nuestro deleite pudimos probar una piedra angular de la teoría de Einstein, la energía transportada por las ondas gravitacionales, con una precisión que es 25 veces mejor que con el púlsar Hulse-Taylor, ganador del Premio Nobel, y 1000 veces mejor que lo que actualmente es posible con los detectores de ondas gravitacionales".
Explicó que las observaciones no solo concuerdan con la teoría, "sino que también pudimos ver efectos que antes no se podían estudiar".
El profesor Benjamin Stappers, de la Universidad de Manchester, dijo: "El descubrimiento del sistema de púlsares dobles se realizó en el marco de un estudio codirigido desde la Universidad de Manchester y nos presentó el único caso conocido de dos relojes cósmicos que permiten medir con precisión la estructura y la evolución de un campo gravitatorio intenso."
"El telescopio Lovell del Observatorio de Jodrell Bank lo ha estado monitorizando cada dos semanas desde entonces. Esta larga línea de base de observaciones frecuentes y de alta calidad proporcionó un excelente conjunto de datos que se combinaron con los de observatorios de todo el mundo."
La profesora Ingrid Stairs, de la Universidad de la Columbia Británica en Vancouver, dijo: "Seguimos la propagación de los fotones de radio emitidos por un faro cósmico, un púlsar, y rastreamos su movimiento en el fuerte campo gravitatorio de un púlsar compañero".
"Vemos por primera vez cómo la luz no sólo se retrasa debido a una fuerte curvatura del espaciotiempo alrededor de la compañera, sino también que la luz se desvía en un pequeño ángulo de 0,04 grados que podemos detectar. Nunca antes se había realizado un experimento de este tipo con una curvatura del espaciotiempo tan elevada".
El profesor Dick Manchester, de la agencia científica nacional de Australia, CSIRO, dijo: "Un movimiento orbital tan rápido de objetos compactos como éstos -tienen un 30% más de masa que el Sol pero sólo unos 24 km de diámetro- nos permite poner a prueba muchas predicciones diferentes de la relatividad general, ¡siete en total!"
"Aparte de las ondas gravitacionales y la propagación de la luz, nuestra precisión nos permite también medir el efecto de la "dilatación del tiempo" que hace que los relojes funcionen más lentamente en los campos gravitacionales."
"Incluso tenemos que tener en cuenta la famosa ecuación de Einstein E = mc2 al considerar el efecto de la radiación electromagnética emitida por el púlsar de giro rápido en el movimiento orbital."
"¡Esta radiación corresponde a una pérdida de masa de 8 millones de toneladas por segundo! Aunque esto parece mucho, es sólo una pequeña fracción -3 partes en un billón de billones(!)- de la masa del púlsar por segundo".
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| Los investigadores han llevado a cabo un experimento de 16 años de duración para cuestionar la teoría de la relatividad general de Einstein. El equipo internacional observó las estrellas -un par de estrellas extremas llamadas púlsares, para ser exactos- a través de siete radiotelescopios repartidos por todo el mundo. Crédito: Instituto Max Planck de Radioastronomía |
Los investigadores también midieron -con una precisión de 1 parte en un millón(!)- que la órbita cambia de orientación, un efecto relativista también bien conocido por la órbita de Mercurio, pero aquí 140.000 veces más fuerte.
Se dieron cuenta de que, con este nivel de precisión, también debían tener en cuenta el impacto de la rotación del púlsar en el espacio-tiempo circundante, que es "arrastrado" por el púlsar que gira.
Otro de los autores principales del estudio, el Dr. Norbert Wex, del MPIfR, dijo: "Los físicos llaman a esto el efecto del púlsar: "Los físicos llaman a esto el efecto Lense-Thirring o frame-dragging. En nuestro experimento significa que tenemos que considerar la estructura interna de un púlsar como una estrella de neutrones".
"Por lo tanto, nuestras mediciones nos permiten por primera vez utilizar el seguimiento de precisión de las rotaciones de la estrella de neutrones, una técnica que llamamos cronometraje de púlsares para proporcionar restricciones sobre la extensión de una estrella de neutrones".
La técnica de cronometraje de púlsares se combinó con cuidadosas mediciones interferométricas del sistema para determinar su distancia con imágenes de alta resolución, lo que dio como resultado un valor de 2.400 años luz con sólo un 8 por ciento de margen de error.
El profesor Adam Deller, de la Universidad de Swinburne (Australia) y responsable de esta parte del experimento, declaró: "Es una combinación de diferentes elementos complementarios que se han utilizado para determinar la distancia del púlsar: "La combinación de diferentes técnicas de observación complementarias es lo que añade un valor extremo al experimento. En el pasado, estudios similares solían verse obstaculizados por el limitado conocimiento de la distancia de estos sistemas".
Este no es el caso aquí, donde además de la temporización de los púlsares y la interferometría, también se ha tenido muy en cuenta la información obtenida de los efectos debidos al medio interestelar.
El profesor Bill Coles, de la Universidad de California en San Diego, está de acuerdo: "Recogimos toda la información posible sobre el sistema y obtuvimos una imagen perfectamente coherente, en la que interviene la física de muchas áreas diferentes, como la física nuclear, la gravedad, el medio interestelar, la física del plasma y otras. Esto es bastante extraordinario".
Paulo Freire, también del MPIfR, dijo: "Nuestros resultados complementan muy bien otros estudios experimentales que prueban la gravedad en otras condiciones o ven efectos diferentes, como los detectores de ondas gravitacionales o el Telescopio de Horizonte de Sucesos".
"También complementan otros experimentos con púlsares, como nuestro experimento de sincronización con el púlsar en un sistema triple estelar, que ha proporcionado una prueba independiente y magnífica de la universalidad de la caída libre".
El profesor Kramer añadió: "Hemos alcanzado un nivel de precisión sin precedentes. Futuros experimentos con telescopios aún más grandes pueden y van a ir aún más lejos".
"Nuestro trabajo ha mostrado la forma en que deben realizarse tales experimentos y qué efectos sutiles deben tenerse en cuenta ahora. Y, tal vez, algún día encontremos una desviación de la relatividad general".
Este trabajo complementa los experimentos con otras técnicas y sirve como modelo para realizar estudios similares con otros sistemas en el futuro utilizando nuevas generaciones de telescopios.
Fuentes, créditos y referencias:
M. Kramer et al., Strong-Field Gravity Tests with the Double Pulsar, Physical Review X Phys. Rev. X 11, 041050 DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050