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La relatividad general de Einstein esta siendo cuestionada, pero sigue en pie por ahora

Más de 100 años después de que Albert Einstein publicara su icónica teoría general de la relatividad, parece que esta está comenzando a deshilacharse por los bordes, afirma Andrea Ghez, profesora de física y astronomía de la UCLA. Sin embargo, en la prueba más completa de la relatividad general cerca del monstruoso agujero negro que existe en el centro de nuestra galaxia, Ghez y su equipo de investigación indicaron en la revista Science que la teoría general de la relatividad de Einstein sigue sosteniéndose.

«Einstein tiene razón, al menos por ahora», dijo Ghez, co-autora principal de la investigación. «Podemos descartar absolutamente la ley de la gravedad de Newton. Nuestras observaciones son consistentes con la teoría general de la relatividad de Einstein. Sin embargo, su teoría está definitivamente mostrando vulnerabilidad. No puede explicar completamente la gravedad dentro de un agujero negro, y en algún momento tendremos que ir más allá de la teoría de Einstein hacia una teoría más completa de la gravedad que explique qué es un agujero negro».

La teoría general de la relatividad de Einstein de 1915 sostiene que lo que percibimos como la fuerza de gravedad surge de la curvatura del espacio y el tiempo. El científico propuso que los objetos como el Sol y la Tierra cambian esta geometría. La teoría de Einstein es la mejor descripción de cómo funciona la gravedad, indica Ghez, cuyo equipo de astrónomos dirigido por la UCLA ha hecho mediciones directas del fenómeno cerca de un agujero negro supermasivo – investigación que Ghez describe como «astrofísica extrema».

Las leyes de la física, incluyendo la gravedad, deberían ser válidas en todo el universo, dijo Ghez, quien agregó que su equipo de investigación es uno de los dos únicos grupos en el mundo que observa una estrella conocida como S0-2 hacer una órbita completa en tres dimensiones alrededor del agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea. La órbita completa toma 16 años, y la masa del agujero negro es alrededor de cuatro millones de veces la del Sol.

Los investigadores dicen que su trabajo es el estudio más detallado jamás realizado sobre el agujero negro supermasivo y la teoría general de la relatividad de Einstein.

Los datos clave de la investigación fueron los espectros que el equipo de Ghez analizó en abril, mayo y septiembre de 2019, cuando su «estrella favorita» se acercó más al enorme agujero negro. Los espectros, que Ghez describió como el «arco iris de luz» de las estrellas, muestran la intensidad de la luz y ofrecen información importante sobre la estrella desde la que viaja esta. Los espectros también muestran la composición de la estrella. Estos datos se combinaron con las mediciones que Ghez y su equipo han hecho en los últimos 24 años.

Los espectros — recogidos en el Observatorio W.M. Keck en Hawái usando un espectrógrafo construido en el UCLA por un equipo dirigido por su colega James Larkin — proporcionan la tercera dimensión, revelando el movimiento de la estrella a un nivel de precisión no alcanzado previamente. (Las imágenes de la estrella que los investigadores tomaron en el Observatorio Keck proporcionan las otras dos dimensiones). El instrumento de Larkin toma la luz de una estrella y la dispersa, de manera similar a la forma en que las gotas de lluvia dispersan la luz del sol para crear un arco iris, dijo Ghez.

«Lo que es tan especial de la S0-2 es que tenemos su órbita completa en tres dimensiones», dijo Ghez, quien ocupa la cátedra de Astrofísica Lauren B. Leichtman y Arthur E. Levine. «Eso es lo que nos da el boleto de entrada a las pruebas de relatividad general. Preguntamos cómo se comporta la gravedad cerca de un agujero negro supermasivo y si la teoría de Einstein nos está contando la historia completa. Ver a las estrellas atravesar su órbita completa nos da la primera oportunidad de probar la física fundamental usando los movimientos de estas estrellas».

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Representación de la estrella S0-2. (Crédito: Nicolle R. Fuller/National Science Foundation)

 

Comprobando a Einstein

El equipo de investigación de Ghez fue capaz de ver la mezcla de espacio y tiempo cerca del agujero negro supermasivo. «En la versión de la gravedad de Newton, el espacio y el tiempo están separados, y no se mezclan; bajo Einstein, se mezclan completamente cerca de un agujero negro», dijo.

«Hacer una medición de tan fundamental importancia ha requerido años de paciente observación, permitida ahora por la tecnología de punta», dijo Richard Green, director de la división de ciencias astronómicas de la Fundación Nacional de Ciencias. Durante más de dos décadas, la división ha apoyado a Ghez, junto con varios de los elementos técnicos críticos para el descubrimiento del equipo de investigación. «A través de sus rigurosos esfuerzos, Ghez y sus colaboradores han producido una validación de alto significado de la idea de Einstein sobre la fuerte gravedad».

El director del Observatorio Keck, Hilton Lewis, llamó a Ghez «uno de nuestros más apasionados y tenaces usuarios del Keck». «Su última investigación innovadora», dijo, «es la culminación del compromiso inquebrantable de las últimas dos décadas para desentrañar los misterios del agujero negro supermasivo que hay en el centro de nuestra galaxia la Vía Láctea».

Los investigadores estudiaron los fotones – partículas de luz – mientras viajaban desde la S0-2 a la Tierra. La S0-2 se mueve alrededor del agujero negro a velocidades vertiginosas de más de 25 millones de kilómetros por hora en su aproximación más cercana. Einstein había informado que en esta región cercana al agujero negro, los fotones tienen que hacer un trabajo extra. Su longitud de onda al salir de la estrella depende no solo de lo rápido que se mueva la estrella, sino también de cuánta energía gasten los fotones para escapar del poderoso campo gravitatorio del agujero negro. Cerca de un agujero negro, la gravedad es mucho más fuerte que en la Tierra.

A Ghez se le dio la oportunidad de presentar datos parciales el verano de 2018, pero eligió no hacerlo para que su equipo pudiera analizar a fondo los datos primero. «Estamos aprendiendo cómo funciona la gravedad. Es una de las cuatro fuerzas fundamentales y la que menos hemos probado», dijo. «Hay muchas regiones en las que no nos hemos preguntado, ¿cómo funciona la gravedad aquí? Es fácil ser demasiado confiado y hay muchas maneras de malinterpretar los datos, muchas maneras en que los pequeños errores pueden acumularse en errores significativos, por lo que no nos apresuramos en nuestro análisis».

Ghez, ganador en 2008 de la beca «Genio» de MacArthur, estudia más de 3.000 estrellas que orbitan alrededor del agujero negro supermasivo. Cientos de ellas son jóvenes, dijo, en una región donde los astrónomos no esperaban verlas.

Los fotones de la S0-2 tardan 26.000 años en llegar a la Tierra. «Estamos muy emocionados, y nos hemos estado preparando durante años para hacer estas mediciones», dijo Ghez, que dirige el Grupo del Centro Galáctico de la UCLA. «Para nosotros, es visceral, es ahora… ¡pero en realidad sucedió hace 26.000 años!».

Esta es la primera de muchas pruebas de relatividad general que el equipo de investigación de Ghez llevará a cabo en las estrellas cercanas al agujero negro supermasivo. Entre las estrellas que más le interesan está S0-102, que tiene la órbita más corta, tardando 11 años y medio en completar una órbita completa alrededor del agujero negro. La mayoría de las estrellas que estudia Ghez tienen órbitas mucho más largas que la vida humana.

El equipo de Ghez tomó mediciones aproximadamente cada cuatro noches durante períodos cruciales en el 2018 usando el Observatorio Keck – que se encuentra en la cima del inactivo volcán Mauna Kea de Hawái y alberga uno de los telescopios ópticos e infrarrojos más grandes y principales del mundo. Las mediciones también se realizan con un telescopio óptico-infrarrojo en el Observatorio Gemini y el Telescopio Subaru, también en Hawái. Ella y su equipo han utilizado estos telescopios tanto en el lugar en Hawái como a distancia desde una sala de observación en el departamento de física y astronomía de la UCLA.

Los agujeros negros tienen una densidad tan alta que nada puede escapar a su atracción gravitacional, ni siquiera la luz. (No pueden ser vistos directamente, pero su influencia en las estrellas cercanas es visible y proporciona una firma. Una vez que algo cruza el «horizonte de sucesos» de un agujero negro, no podrá escapar. Sin embargo, la estrella S0-2 está todavía bastante lejos del horizonte de sucesos, incluso en su aproximación más cercana, por lo que sus fotones no son atraídos). (Fuente: NCYT Amazings)

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