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Desafiando a Einstein

Un grupo de investigadores ha observado un pulsar doble para confirmar la teoría de la relatividad general de Einstein con un margen de error del 0,05 %, un valor estricto nunca antes logrado. Los científicos esperan poder utilizar los estudios para determinar la naturaleza y composición de los pulsares y las estrellas de neutrones.



(14/11/06 - Agencia CyTA - Instituto Leloir. Por Alejandro Manrique)
Un equipo internacional de astrónomos, liderados por Michael Krames del Observatorio Jodrell Bank de la Universidad de Manchester, Reino Unido, ha observado durante tres años un pulsar doble para probar que la teoría de la relatividad general de Einstein es correcta con una sorprendente precisión del 99,95%.

Los resultados de esta investigación se publicaron en la revista Science de septiembre y ahora los astrónomos esperan mejorar la exactitud para eventualmente poder probar la estructura interna de los pulsares.

El sistema doble de pulsares, denominado PSR J0737-3039A/B, un par único de relojes estelares naturales que el equipo de Jodrell Bank descubrió en el año 2003, se encuentra a 2.000 años-luz en dirección de la constelación de Puppis.

El sistema consiste en dos estrellas de neutrones altamente compactas y masivas, cada una de las cuales pesa más que nuestro propio Sol, pero de sólo 20 kilómetros de tamaño, que orbitan una alrededor de la otra cada 2,5 horas a velocidades de millones de kilómetros por hora.

Una estrella de neutrones es el vestigio que deja una estrella después de haber agotado el combustible de su núcleo. En su interior se generan intensos campos magnéticos y son objetos de una altísima densidad de materia.

Separadas por una distancia de un millón de kilómetros, las dos estrellas de neutrones emiten destellos de ondas de radio que se perciben como pulsos de radio cada vez que los centelleos llegan a nuestro planeta. La extrema constancia del período de radiación, en algunos pulsares, ha hecho que se usen para calibrar relojes de alta precisión.

Es el único sistema de dos radio-pulsares que orbitan uno alrededor del otro que se conoce hasta ahora y debido a las grandes masas involucradas, que le permiten tener un potencial gravitacional 100.000 veces más grande que el Sol, proporciona una oportunidad ideal para probar aspectos de la relatividad general.

Los efectos relativísticos en este sistema son mucho más pronunciados y el espacio-tiempo es más curvado que bajo las condiciones normales que existen en nuestro sistema solar. Esto convierte al pulsar doble en un excelente lugar para comprobar la relatividad general, particularmente porque ambos cuerpos envían radiación con regular frecuencia, que puede ser captada por grandes radiotelescopios y usada para verificar la curvatura del espacio-tiempo en sus proximidades. Tales medidas podrían revelar si la relatividad general se aplica solamente en condiciones de campos débiles de nuestro sistema solar y si existen desviaciones donde la gravedad es muy fuerte.

Al medir con precisión las variaciones en los tiempos de llegada de los pulsos, usando tres de los más grandes radiotelescopios del mundo, el Lovell de Jodrell Bank, el Parkes de Australia y el Robert C. Byrd de Green Bank en Estados Unidos, los investigadores encontraron que el movimiento de las estrellas seguía exactamente las predicciones de Einstein.

“Esta es la prueba más exigente que se hizo de la Relatividad General en presencia de campos gravitatorios muy fuertes, solamente los agujeros negros ofrecen efectos gravitatorios más poderosos, pero obviamente son mucho más difíciles de observar”, dice Kramer.

El equipo midió cinco parámetros que describen los efectos relativísticos, de forma de corregir el simple movimiento de las estrellas. Uno es la variación con la cual los pulsares disminuyen su movimiento de espiral uno hacia el otro, a medida que pierden energía al emitir ondas gravitatorias. Otro parámetro es la indicación en la que los pulsos de una estrella disminuyen por la fuerza gravitacional de la otra y por la curvatura espacio-tiempo alrededor de ellas.

Los científicos también establecieron la relación de masas de las dos estrellas y esto es significativo, ya que puede ser usada con el valor medido de uno de los cinco parámetros para determinar las masas individuales de los dos pulsares. Estas masas luego se pueden emplear en las ecuaciones de la relatividad general para calcular valores teóricos de los otros cuatro parámetros, que a su vez pueden ser comparados con las medidas reales de los instrumentos y examinar así la precisión de la teoría.

Dado que ambos pulsares son visibles como relojes radioemisores de una excepcional precisión, es posible medir sus distancias desde su centro común de gravedad. La coautora del reporte, Ingrid Stairs, de la Universidad de Columbia Británica en Canadá, explica: “En forma similar a un columpio en equilibrio, el pulsar más pesado está más cercano al centro de masas o eje de giro que el más liviano, y de esa forma nos permite calcular la relación de las dos masas”.

La profesora Maura McLaughlin, integrante del equipo y perteneciente a la Universidad de West Virginia en Morgantown, Estados Unidos, agrega: “Lo que es importante es que esta relación de masas es independiente de la gravedad y por lo tanto restringe las posibilidades de la relatividad general y otras teorías alternativas para la gravitación”.

Aunque todas las experiencias disponibles en forma independiente en el sistema doble de pulsares están de acuerdo con la teoría de Einstein, la que ofrece el resultado más preciso es la demora del tiempo, conocida como “Retraso de Shapiro”. La misma describe la demora que las señales sufren a medida que viajan a través de la curvatura espacio-tiempo que rodea a las dos estrellas de neutrones. El valor es de unos 90 millonésimos de segundo y la relación entre los valores observados y medidos arrojó una incerteza de un 0,05% solamente.

Varios de los efectos anticipados por Einstein pudieron ser comprobados. Por ejemplo, debido a la considerable masa involucrada, el espacio-tiempo alrededor del pulsar se curva. Además, el reloj del pulsar funciona más lento cuando se midió dentro del campo gravitacional de su colosal y masivo compañero, un efecto conocido como “dilatación del tiempo”.

Un resultado clave de las observaciones es que la separación de los pulsares disminuye unos 7 milímetros por día. La teoría de Einstein vaticina que el sistema de pulsares doble debería estar emitiendo ondas gravitatorias, rizos en el espacio-tiempo que se propagan por el Universo a la velocidad de la luz.

El Profesor Dick Manchester, del Australia Telescope National Facility, señala al respecto: “Estas ondas todavía deben ser directamente detectadas y, como resultado, el sistema de pulsares doble debería perder energía, haciendo que las dos estrellas de neutrones giren en espiral una alrededor de la otra, en una cantidad precisamente como la que hemos observado. Así, nuestras observaciones proporcionan una prueba indirecta de la existencia de las ondas gravitatorias”.

Michael Kramer puntualiza: “El pulsar doble es realmente un sistema sorprendente, no sólo nos dice muchísimo sobre la relatividad general, sino que es una prueba extraordinaria de la física extrema de la materia superdensa y los fuertes campos magnéticos, y nos está ayudando a entender los complejos mecanismos que generan las emisiones de radio en el pulsar...”, y agrega con tono optimista: “Recién hemos comenzado a explotar su potencial..!”

Kramer ahora aspira a mejorar aún más la precisión de las medidas y explica: “Sabemos que eventualmente la relatividad general debería fallar, dado que no describe a la naturaleza en pequeñas escalas”.

Dichas medidas pondrán límites más estrictos en las teorías alternativas para explicar la gravedad y podrían probablemente mostrar nuevas interacciones de pulsares, develando la superdensa estructura interna que poseen.

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