Desafiando la mayor teoría de Einstein con estrellas extremas

Desafiando la mayor teoría de Einstein con estrellas extremas

diciembre 15, 2021 0 Por RenzoC

Investigadores de la Universidad de East Anglia y la Universidad de Manchester ayudaron a realizar un experimento de 16 años para desafiar la teoría de la relatividad general de Einstein.

El equipo internacional observó las estrellas, un par de estrellas extremas llamadas púlsares para ser precisos, a través de siete radiotelescopios en todo el mundo.

Y los usaron para desafiar la teoría más famosa de Einstein con algunas de las pruebas más rigurosas hasta el momento.

El estudio, publicado hoy en la revista Physical Review X, revela nuevos efectos relativistas que, aunque esperados, ahora se han observado por primera vez.

El Dr. Robert Ferdman, de la Escuela de Física de la UEA, dijo: “Por espectacular que haya sido el éxito de la teoría de la relatividad general de Einstein, sabemos que no es la última palabra en la teoría gravitacional.

“Más de 100 años después, los científicos de todo el mundo continúan sus esfuerzos para encontrar fallas en su teoría.

“La relatividad general no es compatible con las otras fuerzas fundamentales descritas por la mecánica cuántica. Por lo tanto, es importante continuar poniendo las pruebas más estrictas posibles a la relatividad general, para descubrir cómo y cuándo falla la teoría.

“Encontrar cualquier desviación de la relatividad general sería un descubrimiento importante que abriría una ventana hacia una nueva física más allá de nuestra comprensión teórica actual del Universo.

«Y podría ayudarnos a descubrir eventualmente una teoría unificada de las fuerzas fundamentales de la naturaleza».

Dirigido por Michael Kramer del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn, Alemania, el equipo internacional de investigadores de diez países ha sometido la teoría de Einstein a las pruebas más rigurosas hasta la fecha.

El Dr. Ferdman dijo: Un púlsar es una estrella compacta giratoria altamente magnetizada que emite rayos de radiación electromagnética desde sus polos magnéticos.

“Pesan más que nuestro sol, pero solo tienen unas 15 millas de ancho, por lo que son objetos increíblemente densos que producen rayos de radio que recorren el cielo como una baliza.

“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 doble púlsar está formado por dos púlsares que se orbitan entre sí en solo 147 minutos con velocidades de alrededor de 1 millón de km / h. Un púlsar gira muy rápido, unas 44 veces por segundo. El compañero es joven y tiene un período de rotación de 2,8 segundos. Es su movimiento alrededor del otro lo que puede usarse como un laboratorio de gravedad casi perfecto.

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 profesor Kramer dijo: “Hemos estudiado un sistema de estrellas compactas que es un laboratorio incomparable para probar teorías de la gravedad en presencia de campos gravitacionales muy fuertes.

“Para nuestro deleite, pudimos probar una piedra angular de la teoría de Einstein, la energía transportada por ondas gravitacionales, con una precisión que es 25 veces mejor que la del púlsar Hulse-Taylor, ganador del Premio Nobel, y 1000 veces mejor que la que actualmente es posible con las ondas gravitacionales. detectores de olas «.

Explicó que las observaciones no solo están de acuerdo con la teoría, «sino que también pudimos ver efectos que no se podrían haber estudiado antes».

El profesor Benjamin Stappers, de la Universidad de Manchester, dijo: “El descubrimiento del sistema de púlsar doble se realizó como parte de una investigación realizada por la Universidad de Manchester y nos presentó la única instancia conocida de dos relojes cósmicos que permiten una medición precisa de la estructura y evolución de un campo gravitacional intenso.

“Desde entonces, el telescopio Lovell en el Observatorio de Jodrell Bank lo ha monitoreado cada dos semanas. Esta larga línea de base de observaciones frecuentes y de alta calidad proporcionó un excelente conjunto de datos para combinar con los de observadores de todo el mundo «.

La profesora Ingrid Stairs de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver dijo: “Seguimos la propagación de fotones de radio emitidos por una baliza cósmica, un púlsar, y rastreamos su movimiento en el fuerte campo gravitacional 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 también que la luz es desviada por un pequeño ángulo de 0.04 grados que podemos detectar. Nunca antes se había realizado un experimento de este tipo con una curvatura espaciotemporal tan alta «.

El profesor Dick Manchester, de la Agencia Nacional de Ciencias de Australia, CSIRO, dijo: «Un movimiento orbital tan rápido de objetos compactos como estos (son aproximadamente un 30% más masivos que el Sol pero solo unos 24 km de diámetro) nos permite probar muchos predicciones de la relatividad general: ¡siete en total!

“Además de las ondas gravitacionales y la propagación de la luz, nuestra precisión también nos permite medir el efecto de la ‘dilatación del tiempo’ que ralentiza los relojes en los campos gravitacionales.

“También debemos tener en cuenta la famosa ecuación de Einstein E = mc2 al considerar el efecto de la radiación electromagnética emitida por el púlsar que gira rápidamente sobre el movimiento orbital.

“¡Esta radiación corresponde a una pérdida de masa de 8 millones de toneladas por segundo! Si bien eso suena a mucho, es solo una pequeña fracción – ¡3 partes en un billón de billones (!) – de la masa del púlsar por segundo «.

Los investigadores también midieron, con una precisión de 1 parte en un millón (!), Que la órbita cambia de orientación, un efecto relativista también conocido de la órbita de Mercurio, pero aquí 140.000 veces más fuerte.

Se dieron cuenta de que a este nivel de precisión también tenían que considerar el impacto de la rotación del púlsar en el espacio-tiempo circundante, que es «arrastrado» por el púlsar giratorio.

El Dr. Norbert Wex de MPIfR, otro autor principal del estudio, dijo: Los físicos llaman a esto efecto Lense-Thirring o efecto de arrastre del marco. 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 las estrellas de neutrones, una técnica que llamamos sincronización del púlsar para proporcionar restricciones sobre la extensión de una estrella de neutrones».

La técnica de sincronización de púlsar se combinó con cuidadosas mediciones interferométricas del sistema para determinar la distancia con imágenes de alta resolución, lo que resultó en un valor de 2400 años luz con solo un margen de error del 8%.

El miembro del equipo, el profesor Adam Deller, de la Universidad de Swinburne en Australia y responsable de esta parte del experimento, dijo: “Es la combinación de varias técnicas de observación complementarias lo que agrega un valor extremo al experimento. En el pasado, estudios similares a menudo se vieron obstaculizados por el conocimiento limitado de la distancia de tales sistemas ”.

Este no es el caso aquí, donde además de la sincronización de los púlsares y la interferometría, también se ha considerado cuidadosamente 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: “Hemos reunido toda la información posible sobre el sistema y hemos creado una imagen perfectamente coherente, que involucra la física de muchas áreas diferentes, como la física nuclear, la gravedad, el interestelar medio, física de plasma y más. . Esto es verdaderamente extraordinario «.

Paulo Freire, también de MPIfR, dijo: “Nuestros resultados son agradablemente complementarios a 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 el púlsar en un sistema de estrella triple, que proporcionó una prueba independiente y excelente de la universalidad de la caída libre».

El profesor Kramer agregó: “Hemos logrado un nivel de precisión sin precedentes. Los experimentos futuros con telescopios aún más grandes pueden ir aún más lejos.

“Nuestro trabajo ha demostrado cómo se deben realizar tales experimentos y qué efectos sutiles deben tenerse en cuenta ahora. Y, quizás, algún día encontremos una desviación de la relatividad general ».

«Pruebas de gravedad de campo fuerte con Double Pulsar» se publicó en Physical Review X el 13 de diciembre de 2021.

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