Los radioastrónomos usan un baile de tres estrellas exóticas para probar la universalidad de la caída libre
10 de junio de 2020
Albert Einstein Astronomía Ondas gravitacionales
Un equipo de investigación internacional que incluye astrónomos del Instituto Max Planck de Radioastronomía en Bonn determinó con una precisión extremadamente alta que la gravedad hace que las estrellas de neutrones y las enanas blancas caigan con aceleraciones iguales. Lo hicieron siguiendo con precisión el movimiento del púlsar PSR J0337 + 1715, una estrella de neutrones que es miembro de un inusual sistema de triple estrella. Sus hallazgos, logrados mediante un nuevo método riguroso y una combinación de datos de radiotelescopio con la última información de los detectores de ondas gravitacionales, proporcionan la prueba más sólida de una de las predicciones más fundamentales de la relatividad general: que la gravedad atrae a todos los objetos con la misma aceleración, sin tener en cuenta su composición, densidad o la fuerza de su propio campo gravitacional.
PSR J0337 + 1715: Una ilustración del púlsar de tres milisegundos con sus dos compañeras enanas blancas. La malla verde … [más]
© Michael Kramer / MPIfR
Pulsar PSR J0337 + 1715, ubicado en la constelación de Tauro, es una estrella de neutrones de 1,44 masas solares, que muestra pulsos de radio regulares a medida que gira 366 veces por segundo alrededor de su propio eje. Es miembro de un sistema inusual de triple estrella, en interacción mutua con otras dos estrellas, ambas enanas blancas. Una enana blanca ya es bastante exótica: una estrella típicamente del tamaño de la Tierra con una densidad de muchos cientos de kilogramos por centímetro cúbico en su centro. En comparación con las enanas blancas, una estrella de neutrones es verdaderamente extrema, tiene más masa que el Sol aplastada en un diámetro de poco más de 20 kilómetros y alcanza densidades de más de mil millones de toneladas dentro del volumen de un cubo de azúcar.
Un equipo de investigación, dirigido por Guillaume Voisin (Centro de Astrofísica del Banco Jodrell / Reino Unido y Observatorio de París), incluidos Paulo Freire, Norbert Wex y Michael Kramer del Instituto Max Planck de Radioastronomía, y astrónomos de varias instituciones en Francia, utilizaron El radiotelescopio de Nançay, ubicado en la región francesa de Sologne, mide con precisión los tiempos de llegada de los pulsos de radio del PSR J0337 + 1715 durante un intervalo de tiempo de ocho años. Pueden mostrar que las estrellas de neutrones y las enanas blancas caen con la misma aceleración en dos partes por millón.
Sondeando la universalidad de la caída libre
Esta característica, conocida como la universalidad de la caída libre, se encuentra en la base de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. “Confirmarlo con esta precisión constituye una de las pruebas más estrictas de la teoría de Einstein jamás realizada, y la teoría pasa la prueba con gran éxito”, dice Guillaume Voisin. “Además, los resultados también proporcionan restricciones muy estrictas sobre teorías alternativas de la gravedad, que compiten con la relatividad general de Einstein para explicar la gravedad y, por ejemplo, la energía oscura”.
La universalidad de la caída libre es una característica única de la gravedad: a diferencia de todas las demás interacciones en la naturaleza, la gravedad atrae a todos los objetos materiales con la misma aceleración. Galileo Galilei presuntamente dejó caer varios pesos de diferentes tamaños desde la torre inclinada de Pisa para probar esto. Isaac Newton luego consideró que esto era un principio fundamental de la gravedad, presentándolo sin una explicación más profunda. La prueba más precisa de la universalidad de la caída libre ha sido obtenida hasta la fecha por un satélite especialmente diseñado llamado Microscope (desarrollado por el Centre Nationale d’Études Spatiales, en Francia). Las pequeñas masas de prueba dentro del satélite muestran aceleraciones idénticas en el campo gravitacional de la Tierra a más de 1 parte en 1014.
El pensamiento más afortunado de Einstein
Después de la publicación de 1905 de la teoría de la relatividad especial, Einstein comenzó a pensar en cómo combinar su nueva teoría con la gravedad, ya que la ley de gravedad de Newton es incompatible con su nuevo principio de relatividad. En el otoño de 1907, se le ocurrió una idea: que para alguien en caída libre es como si la gravedad hubiera sido desactivada, ya que debido a la universalidad de la caída libre, todo en su entorno se acelera de la misma manera. Esta visión simple pero profunda llevó a Einstein a comprender que la gravedad es una manifestación del espacio-tiempo curvo que actúa sobre todas las masas de la misma manera, un concepto que está en el corazón de su teoría general de la relatividad. Más tarde describió esta repentina inspiración como “el pensamiento más afortunado de mi vida”.
Debido a que experimentos como el satélite Microscope han confirmado la universalidad de la caída libre con tanta precisión, las teorías de la gravedad más viables (incluida la relatividad general) incorporan la visión de Einstein como parte de su fundamento. Significa que estas teorías también describen la gravedad como un fenómeno geométrico, que surge de la curvatura del espacio-tiempo. Lo que la diferencia de la relatividad general es cómo las masas de cuerpos grandes curvan el espacio-tiempo.
Cómo discriminar entre la relatividad general y las teorías alternativas de la gravedad.
Aunque las teorías antes mencionadas predicen que los objetos pequeños caen con la misma aceleración en el mismo campo gravitacional, la imagen no es tan simple si en lugar de objetos pequeños consideramos objetos astronómicos, que se mantienen unidos por la gravedad misma. En este caso, la relatividad general predice la posibilidad más simple: que la universalidad de la caída libre también se aplica a tales objetos autogravitantes, mientras que muchas de las teorías alternativas de la gravedad predicen las desviaciones de una aceleración universal. Estas desviaciones generalmente aumentan en magnitud con la cantidad de curvatura espacio-temporal causada por el objeto. Para objetos como la Tierra, el Sol e incluso estrellas enanas blancas, la curvatura espacio-tiempo es muy pequeña. En comparación con estos, para las estrellas de neutrones la curvatura es de un millón a un billón de veces más grande. En las teorías de la gravedad que predicen una violación de la universalidad de la caída libre relacionada con la autogravedad, esa violación es generalmente más fuerte para las estrellas de neutrones que para cualquier otro objeto.
Un púlsar en un sistema estelar triple
En 2014, los radioastrónomos descubrieron que PSR J0337 + 1715 era miembro de un sistema estelar triple junto con dos enanas blancas. Este sistema resultó ser un banco de pruebas ideal para probar la universalidad de la caída libre de una estrella de neutrones. Gracias al seguimiento por radio preciso del movimiento del púlsar, se realizó una prueba para mostrar si cae a la misma velocidad que la enana blanca cercana en el campo gravitacional de la enana blanca exterior. Esta nueva prueba mejora en un estudio anterior del mismo sistema en dos aspectos. Proporciona un límite más estricto para cualquier diferencia en la aceleración entre el púlsar y su enana blanca compañera interna, y utiliza una mejor comprensión de las propiedades de la materia de la estrella de neutrones, que provino de la observación de una colisión catastrófica de dos estrellas de neutrones por los observatorios de ondas gravitacionales LIGO / Virgo. “Esto último fue particularmente importante al restringir las alternativas a la relatividad general”, explica Norbert Wex, del Instituto Max Planck de Radioastronomía, coautor del estudio.
El PSR J0337 + 1715 ilustra que la visión ingeniosa de Einstein también se aplica a objetos cósmicos tan extremos como las estrellas de neutrones que se descubrieron por primera vez solo 50 años después de la publicación de la teoría de la relatividad general. “Quizás más que cualquier prueba previa, este resultado indica que el pensamiento más afortunado de Einstein realmente captura algo fundamental sobre la gravedad y el funcionamiento interno de la naturaleza”, concluye Paulo Freire, otro coautor del Instituto Max Planck de Radioastronomía.
Radiotelescopio de Nançay en Francia.
© Jean-Philippe Letourneur, CRDP Orléans
Información de contexto
La prueba con el púlsar en el sistema triple es análoga a una prueba clásica que ha estado en curso durante los últimos 50 años, la llamada prueba Lang Laser Ranging (LLR).
Como se mencionó anteriormente, varias teorías alternativas a la relatividad general predicen que los objetos astronómicos caen con diferentes aceleraciones que dependen de la cantidad de curvatura espacio-temporal que producen. Por lo tanto, bajo tales teorías, la Tierra y la Luna deberían caer con una aceleración ligeramente diferente en el campo gravitacional del Sol porque la Tierra produce una curvatura espacio-tiempo significativamente mayor que la Luna. Por esta razón, Kenneth Nordtvedt propuso en la década de 1960 utilizar los retroreflectores desplegados en la superficie lunar por los astronautas estadounidenses y las misiones rover soviéticas para probar si la Tierra y la Luna caen con la misma aceleración en el campo gravitacional del Sol. Al disparar rayos láser a estos reflectores, se hizo posible medir la distancia entre los observatorios y los reflectores en la Luna con una precisión de unos pocos centímetros. Los resultados concuerdan con las predicciones de la relatividad general, con la Tierra y la Luna cayendo con la misma aceleración en el campo del Sol con una precisión de 1 parte en 1013.
A pesar de su gran precisión, esta prueba tiene un inconveniente, que son las muy pequeñas curvaturas espacio-temporales causadas por la Tierra y la Luna. Las estrellas de neutrones son objetos completamente diferentes: dentro de un diámetro ligeramente mayor de 20 km, concentran más masa que la del Sol, lo que significa varios cientos de miles de veces la masa de la Tierra. Sus densidades centrales de aproximadamente mil millones de toneladas por cm3 las convierten en la forma más densa de materia en el Universo actual. Esto tiene una consecuencia: producen una curvatura espacio-tiempo 1014 veces mayor que la causada por la Tierra, lo que los convierte en objetos de gravedad realmente fuerte. En comparación con una estrella de neutrones, incluso una enana blanca tiene un campo gravitacional débil.
El experimento con el púlsar en el sistema estelar triple es, en ciertos aspectos, análogo al experimento Lang Laser Ranging. El púlsar, en una órbita de 1.6 días con la enana blanca interior (0.2 masas solares), es equivalente a la Tierra en órbita con la Luna, y la enana blanca exterior (0.4 masas solares), que está en una órbita de 327 días con el binario interno, es el equivalente al Sol, proporcionando el campo gravitacional donde cae el sistema interno. En lugar del alcance láser, se utiliza el seguimiento preciso de las señales de radio del púlsar. Estos no son tan precisos como el láser que se extiende hacia la Luna: en lugar de unos pocos cm, se logra una precisión de alcance de unos pocos cientos de metros. Esta es una de las razones por las que la medición del púlsar de la universalidad de la caída libre (2 partes en 106) es mucho menos precisa que la prueba de alcance del Lunar Laser (1 parte en 1013). Sin embargo, como se mencionó anteriormente, la curvatura espacio-tiempo causada por el púlsar es tan grande que muchas teorías alternativas de la gravedad que pasan la prueba de rango de láser lunar de alta precisión fallarán en la prueba de universalidad de caída libre para las estrellas de neutrones.
El equipo de investigación está formado por Guillaume Voisin, Ismael Cognard, Paulo Freire, Norbert Wex, Lucas Guillemot, Gregory Desvignes, Michael Kramer y Gilles Theureau. Tres de los autores, Paulo Freire, Norbert Wex y Michael Kramer, están afiliados al MPIfR.