Han pasado más de cien años desde que Einstein formalizó su teoría de la Relatividad General (GR), la teoría geométrica de la gravitación que revolucionó nuestra comprensión del Universo. Y, sin embargo, los astrónomos todavía lo están sometiendo a pruebas rigurosas, con la esperanza de encontrar desviaciones de esta teoría establecida. La razón es simple: cualquier indicio de física más allá de GR abriría nuevas ventanas al Universo y ayudaría a resolver algunos de los misterios más profundos del cosmos.

Una de las pruebas más rigurosas jamás realizadas 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 en todo el mundo, Kramer y sus colegas observaron un par único de púlsares durante 16 años. En el proceso, observaron por primera vez los efectos predichos por GR, y con un precisión al menos el 99,99%!

Además de los investigadores de MPIfR, a Kramer y sus asociados se unieron investigadores de instituciones de diez países diferentes, incluido el Jodrell Bank Center for Astrophysics (Reino Unido), el ARC Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (Australia), el Perimeter Institute of Theoretical Physics (Canadá), el Observatorio de París (Francia), el Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italia), el Observatorio de Radioastronomía de Sudáfrica (SARAO), el Instituto de Radioastronomía de los Países Bajos (ASTRON) y el Observatorio de Arecibo.

Los púlsares son estrellas de neutrones que giran rápidamente y emiten haces estrechos y anchos de ondas de radio. Crédito: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA

Los «radio púlsares» son una clase especial de estrellas de neutrones fuertemente magnetizadas y de rotación rápida. Estos objetos súper densos emiten poderosos rayos de radio desde sus polos que (cuando se combinan con su rápida rotación) crean un efecto estroboscópico que se asemeja a una baliza. Los astrónomos están fascinados con los púlsares porque brindan una gran cantidad de información sobre la física que rige los objetos ultracompactos, los campos magnéticos, el medio interestelar (ISM), la física planetaria e incluso la cosmología.

Además, las fuerzas gravitatorias extremas involucradas permiten a los astrónomos probar las predicciones hechas por teorías gravitacionales como GR y Dinámica newtoniana modificada (MOND) en algunas de las condiciones más extremas imaginables. A los efectos de su estudio, Kramer y su equipo examinaron PSR J0737-3039 A/B, el sistema «Double Pulsar» ubicado a 2400 años luz de la Tierra en el constelación de cachorros.

Este sistema es la única radio púlsar binario jamás observado y fue descubierto en 2003 por miembros del equipo de investigación. Los dos púlsares que componen este sistema giran rápidamente, 44 veces por segundo (A), una vez cada 2,8 segundos (B), y se orbitan entre sí con un período de solo 147 minutos. Si bien son aproximadamente un 30% más masivos que el Sol, solo tienen unos 24 km (15 millas) de diámetro. De ahí su extrema atracción gravitatoria y sus intensos campos magnéticos.

Además de estas propiedades, el rápido período orbital de este sistema lo convierte en un laboratorio casi perfecto para probar las teorías de la gravedad. Como declaró el profesor Kramer en un reciente comunicado de prensa de MPIfR:

“Hemos estudiado un sistema de estrellas compactas que es un laboratorio inigualable para probar 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 ondas gravitacionales, con una precisión 25 veces superior a la del púlsar Hulse-Taylor, ganador del Premio Nobel, y 1000 veces superior a la que es posible actualmente con los detectores de ondas gravitacionales.

Impresión artística de la trayectoria de la estrella S2 pasando muy cerca de Sagitario A*, lo que también permite a los astrónomos probar las predicciones realizadas por la Relatividad General en condiciones extremas. Crédito: ESO/M. Kornmesser

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 Nançay (Francia), el Telescopio Effelsberg de 100 m (Alemania), el Radiotelescopio Lovell (Reino Unido), el radiotelescopio de síntesis de Westerbork (Países Bajos) y el Very Long Baseline 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 vieron afectados por su fuerte atracción gravitatoria. Como explicó la coautora del estudio, la profesora Ingrid Stairs de la Universidad de Columbia Británica (UBC) en Vancouver:

“Seguimos la propagación de los fotones de radio emitidos por una baliza cósmica, un púlsar, y seguimos su movimiento en el fuerte campo gravitatorio de un púlsar compañero. Vemos por primera vez cómo la luz no solo se retrasa debido a una fuerte curvatura del espacio-tiempo alrededor del compañero, sino que también 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 en una curvatura de espacio-tiempo tan alta.

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 de GR. Estos incluyen ondas gravitacionales, propagación de la luz («retraso de Shapiro y curvatura de la luz), dilatación del tiempo, equivalencia masa-energía (E = mc²), y qué efecto tiene la radiación electromagnética en el movimiento orbital del púlsar.

El telescopio Robert C. Byrd Green Bank (GBT) en Virginia Occidental. Crédito: GBO/AUI/NSF

“¡Esta radiación corresponde a una pérdida de masa de 8 millones de toneladas por segundo! dijo. «Si bien eso parece mucho, es solo una pequeña fracción, 3 partes de un billón de billones (!) – de la masa del púlsar por segundo». Los investigadores también realizaron mediciones extremadamente precisas de los cambios en la orientación orbital de los púlsares, un efecto relativista que se observó 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 hizo que el equipo se diera cuenta de que también tenían que considerar el impacto de la rotación del púlsar en el espacio-tiempo circundante, también conocido como. el efecto Lense-Thirring, o «marco de arrastre». Al igual que el Dr. Norbert Wex del MPIfR, otro autor principal del estudio, esto proporcionó otro avance:

«En nuestra experiencia, esto significa que tenemos que considerar la estructura interna de un púlsar como un estrella neutrón. Por lo tanto, nuestras mediciones nos permiten por primera vez utilizar el seguimiento de precisión de las rotaciones de estrellas de neutrones, una técnica que llamamos sincronización de púlsares para proporcionar restricciones sobre la extensión de una estrella de neutrones.

Otra lección valiosa de esta experiencia fue cómo el equipo combinó técnicas de observación complementarias para lograr mediciones de distancia de alta precisión. Estudios similares a menudo se han visto obstaculizados por estimaciones de distancia mal limitadas en el pasado. Al combinar la técnica de sincronización de púlsares con mediciones interferométricas cuidadosas (y los efectos de ISM), el equipo logró un resultado de alta resolución de 2400 años luz con un margen de error del 8%.

Representación artística de la fusión de dos estrellas de neutrones. Los haces estrechos representan el estallido de rayos gamma, mientras que la cuadrícula espacio-temporal ondulada indica las ondas gravitacionales isotrópicas que caracterizan la fusión. Crédito: NSF/LIGO/Universidad Estatal de Sonoma/A. simonnet

En última instancia, los resultados del equipo no solo coincidieron con GR, sino que también pudieron ver efectos que no se podían estudiar antes. Como lo expresó Paulo Freire, otro coautor del estudio (y también de MPIfR):

«Nuestros resultados son muy complementarios a otros estudios experimentales que prueban la gravedad en otras condiciones o ven diferentes efectos, como los detectores de ondas gravitacionales o el telescopio Event Horizon. También complementan otros experimentos de púlsares, como nuestro experimento de sincronización con el púlsar en un triple star system, que proporcionó una prueba independiente (y soberbia) de la universalidad de la caída libre.

“Hemos alcanzado un nivel de precisión sin precedentes”, concluyó el profesor Kramer. «Los experimentos futuros con telescopios aún más grandes pueden ir más allá y lo harán. Nuestro trabajo ha demostrado cómo se deben realizar tales experimentos y qué efectos sutiles deben tenerse en cuenta ahora. Y, tal vez, encontremos una desviación de la relatividad general».

El artículo que describe su investigación apareció recientemente en la revista Exploración física X,

Publicado originalmente en Universo hoy.

Para saber más sobre esta investigación:

Referencia: «Pruebas de gravedad de campo fuerte con el doble púlsar» por M. Kramer et al., 13 de diciembre de 2021, Exploración física X.
DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.041050