Precesión Lense-Thirring: otra predicción de la Relatividad General de Einstein se confirma por primera vez en un sistema estelar

Representación artística de una estrella de neutrones que gira rápidamente y una enana blanca que arrastra la tela del espacio-tiempo alrededor de su órbita. /
Mark Myers, Centro de Excelencia OzGrav ARC.

Publicada hace más de un siglo, la icónica teoría de la Relatividad General continúa vencedora. Hoy, un nuevo artículo publicado en Science muestra nuevas pruebas del efecto Lense-Thirring, el cual predice el ‘arrastre’ del espacio tiempo debido a la presencia de un objeto masivo en rotación.

El descubrimiento llega gracias al trabajo de un equipo internacional de astrofísicos liderados por el profesor Matthew Bailes, de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia y director del Centro de Excelencia ARC en Descubrimiento de Ondas Gravitacionales (OzGrav), y el autor principal del estudio Vivek Venkatraman Krishnan del Instituto Max Planck de Radioastronomía.

Relatividad General

En 1915, Albert Einstein realizó una asombrosa descripción geométrica del espacio-tiempo y la publicó en su emblemática teoría de la Relatividad General. Aquí la gravedad se presenta como una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo, ocasionada por la presencia de cuerpos masivos que deforman su geometría.


Ilustración que muestra la deformación del espacio-tiempo en presencia e un cuerpo masivo. /Wikimedia Commons

Los últimos avances en la instrumentación que se usa para medir estos fenómenos han hecho posible que podamos recolectar información provechosa con el objetivo de poner a prueba la Relatividad General en escenarios que hace un tiempo hubiese sido imposible.

Dos de los más grandes éxitos de los últimos años es el descubrimiento de las ondas gravitacionales en 2016 y la fotografía de la sombra del agujero negro en el centro de la galaxia M87 en 2019.


Radiotelescopio de 64 metros en el Observatorio Parkes / Wikimedia Commons

Para este último avance, el equipo internacional de astrofísicos necesitó un instrumento de gran sensibilidad para obtener datos de alta calidad. Por ello, hace 20 años empezaron a observar el sistema binario PSR J1141-6545 con un radiotelescopio de 64 metros de diámetro del Observatorio Parkes de CSIRO en Australia.

Sistema relativista

Este sistema binario consiste de una enana blanca y un pulsar, la cual es básicamente una estrella de neutrones que gira a gran velocidad.

La primera tiene el tamaño de la Tierra pero 300.000 veces su densidad; la otra, a pesar de tener solo 20 kilómetros de diámetro, tiene 100 mil millones de veces la densidad de la Tierra. Ambos orbitan entre sí a velocidades asombrosas, convirtiéndose en un sistema ideal para observar fenómenos relativistas.

Además de lo mencionado, los objetos en este sistema evolucionaron de una manera no estándar. Generalmente la estrella más masiva primero se convierte en un objeto compacto (un púlsar en este caso), y luego sucede lo mismo con la estrella menos masiva. Sin embargo, en PSR J1141-6545 todo sucedió al revés.

Antes de la explosión que dio a luz al púlsar, la estrella predecesora comenzó a hincharse expulsando parte de su capa externa hacia la enana blanca. Como resultado, la enana blanca recibió un impulso angular adicional y empezó a girar con mayor rapidez a tal punto que una vuelta entera sobre su propio eje solo toma minutos.

Precesión Lense-Thirring

Con este escenario ideal, el equipo decidió poner a prueba el efecto Lense-Thirring, el cual fue propuesto por Josef Lense y Hans Thirring en 1918. Ellos predijeron que la rotación de un cuerpo masivo distorsionaría (o ‘arrastraría’) la métrica del espacio-tiempo, haciendo que la órbita de un objeto de prueba sufra una precesión o un cambio en el plano de su órbita.

Para observar el efecto Lense-Thirring o precesión Lense-Thirring es necesario encontrar objetos adecuados. El sistema deseado debe consistir de un par de cuerpos masivos unidos gravitacionalmente, como el encontrado por el equipo de Bailes. Además, debe ser posible que los parámetros de su movimiento se calculen independientemente con alta precisión.

Para cumplir con el este último requisito, el equipo realizó mediciones de los pulsos de radio del pulso. Con esto pudieron determinar con alta precisión los parámetros de su órbita, descubriendo que son variables en el tiempo. Esto último no es del todo común, por lo que daba una pista de que algo estaba sucediendo.

"Los púlsares son relojes cósmicos. Su alta estabilidad rotacional significa que cualquier desviación del tiempo de llegada esperado de sus pulsos probablemente se deba al movimiento del púlsar o a los electrones y campos magnéticos con los que se encuentran los pulsos”, declaró Krishnan.

Tomando esto en cuenta, Krishnan se dio cuenta de que a menos que permitiera un cambio gradual en la orientación del plano de la órbita, incluyendo la influencia del efecto Lense-Thirring del lado de la enana blanca en la órbita del pulsar, la Relatividad General no tendría sentido.

"Una de las primeras confirmaciones de arrastre de cuadros utilizó cuatro giroscopios en un satélite en órbita alrededor de la Tierra, pero en nuestro sistema los efectos son 100 millones de veces más fuertes", declaró Norbert Wex del Instituto Max Planck de Radioastronomia.

 

Adrian Díaz

Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma
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