CIENCIA-ABC

La investigación se ha llevado a cabo en un sistema estelar triple situado a miles de años luz – NRAO/AUI/NSF; S. Dagnello

La Relatividad de Einstein supera la prueba más extrema hecha hasta el momento

Un estudio ha confirmado que un púlsar y una enana blanca «caen» con la misma aceleración en un mismo campo gravitatorio, lo que concuerda con los postulados del genio alemán. Es la prueba más exigente del Principio de Equivalencia

Si no hubiera aire ni rozamiento, y dejáramos caer desde un mismo punto de un alto edificio una pluma y un gran yunque de hierro, veríamos algo curioso: los dos llegarían al suelo exactamente en el mismo momento. Este concepto, incorporado en las leyes de la gravedad desde hace siglos, en la Teoría de la Relatividad General de Einstein se traduce en el llamadoPrincipio de Equivalencia: según este, todos los cuerpos situados en un mismo campo gravitatorio «caen» con la misma aceleración, con independencia de su masa y de su composición.

Un pulsar rapido (periodo de milisegundo) a la izquierda, alrededor del cual orbita una estrella enana blanca caliente (en el centro), y una más fría (en el fondo). Crédito de la imágen: Bill Saxton; NRAO/AUI/NSF

This image shows the pulsar PSR J0337+1715. Image credit: Ransom SM et

Esta teoría ha pasado varias pruebas en la Tierra, pero este miércoles, un estudio publicado en Nature ha llevado a cabo la prueba más exigente de este principio hasta la fecha, y esta vez lejos de nuestro planeta. Un equipo internacional de astrónomos ha confirmado a validez de la Teoría General de la Relatividad en una estrella triple, llamada PSR J0337+1715, y situada a 4.200 años luz. Los científicos han confirmado que la aceleración de los tres miembros de este sistema, dos estrellas enanas blancas y un púlsar, es idéntica, al menos de acuerdo con la sensibilidad de los instrumentos usados.

«La mayoría de las teorías de gravedad alternativas a la Relatividad General predicen que el púlsar debería caer de forma diferente», ha explicado a ABC Anne Archibald, investigadora en la Universidad de Ámsterdam (Holanda) y autora principal del estudio. «Pero nosotros hemos confirmado que no es así».

La idea del Principio de Equivalencia y de la misma aceleración de todos los cuerpos situados en un campo gravitatorio, con independencia de su composición y masa, fue explorada por Galileo y asentada con las leyes de Newton. Con la Relatividad, los científicos consiguieron el aparato matemático necesario para expresar este fenómeno.

¿Y qué pasa cuando la gravedad es extrema?

Aunque hasta ahora las pruebas hechas han confirmado estos principios, existen teorías alternativas de gravedad que, desde luego, no afectarían a un yunque o a una pluma. Sin embargo, sí que afectarían a las gravedades extremas, como las originadas por un objeto tan compacto y masivo como un púlsar: una estrella de neutrones extraordinariamente comprimida que gira a gran velocidad y emite potentes chorros de energía. Según estas teorías, la energía gravitatoria que mantiene cohesionada la materia que forma algo tan «pesado» como un púlsar debería influir en su aceleración en un campo gravitatorio. Por eso, su aceleración y su caída no sería idéntica a la de objetos menos masivos.

¿Qué supondría esto en el sistema triple de terrible nombre PSR J0337+1715? Dicho sistema está compuesto por una pareja, constituida por una estrella de neutrones en una órbita de 1,6 días de duración en torno a una estrella enana blanca, y una tercera en discordia: otra estrella enana blanca situada en la distancia y que completa una vuelta completa en torno al dúo en 327 días.

En rojo, efecto de desplazamiento de la órbita del púlsar hacia la enana blanca externa y que no se ha observado en este caso, validando el Principio de Equivalencia de la Relatividad – Cortesía de Anne Archibald

«Según las teorías alternativas, la órbita del púlsar debería estar ligeramente desplazada del centro, y desviada hacia la compañera del exterior, siguiendo su trayectoria», ha explicado Archibald. Pero no es así.

Observando al púlsar

En 2011, el Telescopio de Green Bank (situado en Estados Unidos) descubrió este sistema estelar y comenzó a investigarlo de forma continuada. Gracias a este y otros potentes radiotelescopios, como el de Arecibo (Puerto Rico) o el Radio Telescopio Westerbork Synthesis (Holanda), los astrónomos han recopilado cientos de horas de observación con los movimientos de cada uno de los objetos de esta estrella triple.

Todo gracias a que la estrella de neutrones gira sobre sí misma unas 366 veces cada segundo y que hace llegar pulsos a la Tierra de una forma periódica. «Hemos podido contar cada pulso de la estrella de neutrones desde que comenzamos la investigación», ha dicho Archibald. El resultado es que los astrónomos han logrado alcanzar una precisión de cientos de metros a la hora de estimar la posición de un objeto de unas dos decenas de kilómetros de diámetro y situado a 4.200 años luz de distancia.

Radio Telescopio Westerbork Synthesis (Holanda) – ASTRON

«Me hubiera sorprendido que la teoría de la Relatividad de Einstein hubiera fallado esta prueba», ha reconocido Anne Archibald. «Pero podría haber ocurrido: nuestra prueba es más sensible que cualquiera otra hecha hasta ahora, así que nadie había comprobado que la teoría de Einstein funcionaba hasta este límite antes».

El mundo de la masa enormemente compactada

Los astrónomos no han detectado ninguna diferencia entre la aceleración del púlsar y la enana blanca externa, pero sus medidas no son perfectas. Sin embargo, la mayor discordancia posible entre ambas aceleraciones, a la luz de la precisión de los instrumentos, sería como máximo de 2,6 partes por millón, diez veces inferior a la que podrían haber pasado por alto exámenes anteriores.

Tal como ha explicado a ABC Clifford Will, autor de un comentario publicado en Nature sobre la investigación de Archibald y científico en la Universidad de Florida (EE.UU.), hasta ahora la prueba más precisa era una que había medido «la igualdad de la aceleración de la Tierra y la Luna hacia el Sol, por medio de un láser». Ahora, los astrónomos se han fijado en un sistema mucho más distante pero mucho más masivo, lo que permite poner a prueba la Relatividad en el mundo de las masas enormemente compactadas.

Esto es importante, tal como explica Will, porque las teorías alternativas de la gravedad, que sugieren que la aceleración de objetos muy masivos no es la misma que la de cuerpos menos masivos, se basa en un curioso fenómeno que depende de la energía gravitacional que mantiene cohesionados estos objetos.

Según ha explicado este investigador, lo que ocurre, según teorías como la Relatividad, es que no solo la masa de un cuerpo interacciona con la gravedad, sino que su propia gravedad interacciona con ella misma. «¿Se relaciona la gravedad de cuerpos como la Tierra o una estrella de neutrones con la gravedad de un cuerpo externo, igual que con sus propios átomos? La Relatividad dice que sí, pero otras teorías dicen que no. Por eso es tan importante hacer estas pruebas», ha argumentado el investigador.

En la Tierra este efecto de supuesta desviación sería pequeño, pero en una estrella de neutrones, tan extremadamente compactada, sería mucho más importante.

Los autores del estudio ya han comentado que seguirán buscando lugares donde poner a prueba la Relatividad General de Einstein, y en concreto el Principio de Equivalencia. Tal como han explicado, la búsqueda para aprender sobre las últimas fronteras del Universo continuará. Parece que queda mucha tarea por delante, porque la astrofísica y la cosmología están todavía marcadas por los enormes misterios de la materia y la energía oscuras.

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Cuando Einstein oyó hablar de esta idea de Kaluza se entusiasmó con ella,  pero pronto comprendió que con esa teoría no se podía predecir nada y la abandonó. La característica esencial de este diagrama de abajo es que la materia, junto con las ecuaciones de Yang-Mills y de Einstein, está ahora incluida en el mismo campo de supergravedad de 11 dimensiones. Veámoslo así:

La materia con todas las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Los bosones intermediarios o partículas portadoras de las fuerzas como el fotón para el electromagnetismo, los gluones para la fuerza nuclear fuerte, las partículas W y Z para la nuclear débil y, en la partícula portadora de la gravedad, el gravitón, ponemos el signo de interrogación, ya que se sabe que esta ahí en algún sitio pero hasta la fecha no ha sido detectado.

Los expertos en supergravedad redescubrieron esta idea de Kaluza y Klein.Una vez que hemos empezado a considerar muchas dimensiones extra, entramos en una especie de Valhalla de las matemáticas donde podemos enrollar las cosas de muchas maneras diferentes. Las componentes de los campos de fuerza gravitatorias en las direcciones enrolladas actúan como diferentes campos gauge. Obtenemos así, prácticamente por nada, no sólo electromagnetismo sino también otras fuerzas gauge. El número mágico de dimensiones es 11, tres de las cuales forman el espacio ordinario, una el tiempo y las siete restantes están enrolladas. Haciendo ciertos trucos con los números, este sistema resulta tener una simetría mayor que nuestro viejo sistema espacio-temporal de cuatro dimensiones. Los campos y las partículas observadas ahora pueden ser fácilmente acomodados, ya que una simetría mayor significa que los indeseados infinitos se cancelan unos a otros con mayor perfección que antes.

Ciertamente esta idea, esta idea parece ser la contraria a la noción de que el espacio y el tiempo sean nada más que puntos aislados, ya que entonces la noción de “dimensión” deja de tener sentido. Pero los matemáticos no se sienten amenazados por tales contracciones aparentes. De acuerdo con ellos,  hay todo tipo de relaciones entre los espacios enrollados y la matemática de los números enteros, “sueltos” (uno podría indicar los puntos aislados del espaciotiempo con enteros). ¿Podría ser que exitieran diferentes formas de describir nuestro espacio y el tiempo que todas fueran matemáticamente equivalentes? Simplemente no lo sabemos.

Lo que sospecho es que la Supergravedad de dimensión once puede que sólo sea, en el mejor de los casos, la punta de un amravilloso Iceberg, p que sea simplemente errónea.

                                          Se intenta y se utilizan energías inmensas pero, no siempre podemos ver todo lo que hay

No deberíamos olvidar en este  momento que estamos tratando de suposiciones y que los argumentos teóricos que la sustentan son aún, extremadamente débiles. ¿Por qué supersimetría? ¿Por qué Once Dimensiones? ¿Por qué en este mundo todo debería ser maravillosamente simétrico? Y, sobre todo, ¿por qué un continuo, si ya sabemos que el espacio y el tiempo han perdido su significado habitual a distancias ultracortas? Además está la dificultad persistente en esta clase de teorías de que las interacciones entre partículas son siempre tratadas como perturbaciones que afectan a sus trayectorias las cuales, de otra manera, serían perfectamente rectilineas.

Pero entonces habrá nuevas (y diferentes) perturbaciones sobre esas trayectorias perturbadas, y perturbaciones sobre ellas, y así sucesivamente. esta serie de perturbaciones no acaba nunca y este es un problema que se impone en cualquier proceso de formulación exacta.

Es cierto que este problema también afecta al viejo “modelo estándar”, pero al menos allí se podría argüir que, donde realmente importaba, las fuerzas podrían mantenerse pequeñas  y que la serie de perturbaciones convergía rápidamente. Esto no se puede mantener así en nuestra teoría de la (super)  Gravedad, ya que a distancias pequeñas las interacciones se hacen fuertes.

Los Quarks permacen confinados dentro del núcleo formando protones y neutrones y, cuando tratan de separase, la fuerza nuclear fuerte aumenta, en cambio, cuando los Quarks están juntos, se mueven con facilidad y la fuerza disminuye: Libertad asintótica de los Quarkas.

Es cierto que fue un alivio descubrir aquellas primeras dificultades serias en esta teoría, u resultó que no era posible tener infinitos que se cancelasen en diagramas con más de siete lazos cerrados. La teoría, o mejor dicho, la especulación de que esto fuese una “teoría de todo” se abandonó (como otras veces ocurrió) porque algo mñás interesante apareció en el horizonte de la Física. ¡Las Supercuerdas!

Aunque hemos hablado mucho de ellas, creo que debemos profundizar algo más en esta prometedora teoría y, aunque de momento es sólo una especulación avanzada…¿quién sabe? lo que nos podría traer. Hablaremos de ella en próximos trabajos.

emilio silvera

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