Recreación artística del sistema de triple estrella PSR J0337 + 1715, que se encuentra a unos 4.200 años luz de la Tierra, y que ha sido el escenario del descubrimiento. Imagen: NRAO / AUI / NSF; S. Dagnello.
La comprensión de Einstein de la gravedad, como se describe en su Teoría General de la Relatividad, predice que todos los objetos caen a la misma velocidad, independientemente de su masa o composición.
Esta teoría ha pasado una prueba tras otra aquí en la Tierra, e incluso en la Luna. En un espacio sin resistencia al aire, tanto un pesado martillo como una pluma de ave caen a la misma velocidad, tal como afirmó Galileo a finales del siglo XVI y comprobó el astronauta del Apolo 15 David Scott sobre la superficie de la Luna en 1971.
Sin embargo, hasta ahora se desconocía si la comprensión einsteniana de la gravedad seguía siendo válida para algunos de los objetos más grandes y densos en el universo, un aspecto de la naturaleza conocido como Principio de Equivalencia Fuerte que fundamenta la Teoría de la Relatividad General.
Aunque las ecuaciones de Einstein sobre la gravedad han superado todas las pruebas, teorías alternativas a la relatividad general predicen que los objetos compactos con una gravedad extremadamente fuerte, como las estrellas de neutrones, caen de forma diferente que los objetos de menor masa. Esa diferencia, predicen estas teorías alternativas, se debería a la llamada energía de enlace gravitacional de un objeto compacto: la energía gravitatoria que la mantiene unida.
Un equipo internacional de astrónomos ha dado a esta persistente discrepancia la aclaración más rigurosa de la historia. Sus hallazgos, publicados en la revista Nature, muestran que las ideas de Einstein sobre la gravedad se cumplen incluso en uno de los escenarios más extremos que el Universo puede ofrecer.
Sistema triple estrella
En 2011, el Telescopio Green Bank (GBT) de la National Science Foundation (NSF) descubrió un laboratorio natural para probar esta teoría en condiciones extremas: un sistema triple estrella llamado PSR J0337 + 1715, ubicado a unos 4.200 años luz de la Tierra. Este sistema contiene una estrella de neutrones en una órbita de 1.6 días con una estrella enana blanca, y el par en una órbita de 327 días con otra enana blanca más lejana.
"Este es un sistema estelar único", explica Ryan Lynch del Green Bank Observatory en Virginia Occiden tal, coautor del artículo, en un comunicado. "No sabemos de otros como este. Eso lo convierte en un laboratorio único en su clase para poner a prueba las teorías de Einstein".
Desde su descubrimiento, el sistema triple ha sido observado regularmente por el GBT, el Telescopio de Radio Westerbork Synthesis en los Países Bajos y el Observatorio NSF de Arecibo en Puerto Rico. El GBT ha pasado más de 400 horas observando este sistema, tomando datos y calculando cómo se mueve cada objeto en relación con el otro.
Los telescopios pudieron estudiar este atractivo sistema estelar porque la citada estrella de neutrones es en realidad un púlsar. Muchos púlsares giran con una consistencia que compite con algunos de los relojes atómicos más precisos de la Tierra.
"Como uno de los radiotelescopios más sensibles del mundo, el GBT está preparado para recoger estos leves pulsos de ondas de radio para estudiar la física extrema", explica Lynch. La estrella de neutrones en este sistema pulsa (rota) 366 veces por segundo.
"Podemos dar cuenta de cada pulso de la estrella de neutrones desde que comenzamos nuestras observaciones", añade Anne Archibald, principal autor del artículo. "Podemos decir su ubicación dentro de unos pocos cientos de metros. Esa es una pista realmente precisa de dónde ha estado la estrella de neutrones y hacia dónde va".
Esta teoría ha pasado una prueba tras otra aquí en la Tierra, e incluso en la Luna. En un espacio sin resistencia al aire, tanto un pesado martillo como una pluma de ave caen a la misma velocidad, tal como afirmó Galileo a finales del siglo XVI y comprobó el astronauta del Apolo 15 David Scott sobre la superficie de la Luna en 1971.
Sin embargo, hasta ahora se desconocía si la comprensión einsteniana de la gravedad seguía siendo válida para algunos de los objetos más grandes y densos en el universo, un aspecto de la naturaleza conocido como Principio de Equivalencia Fuerte que fundamenta la Teoría de la Relatividad General.
Aunque las ecuaciones de Einstein sobre la gravedad han superado todas las pruebas, teorías alternativas a la relatividad general predicen que los objetos compactos con una gravedad extremadamente fuerte, como las estrellas de neutrones, caen de forma diferente que los objetos de menor masa. Esa diferencia, predicen estas teorías alternativas, se debería a la llamada energía de enlace gravitacional de un objeto compacto: la energía gravitatoria que la mantiene unida.
Un equipo internacional de astrónomos ha dado a esta persistente discrepancia la aclaración más rigurosa de la historia. Sus hallazgos, publicados en la revista Nature, muestran que las ideas de Einstein sobre la gravedad se cumplen incluso en uno de los escenarios más extremos que el Universo puede ofrecer.
Sistema triple estrella
En 2011, el Telescopio Green Bank (GBT) de la National Science Foundation (NSF) descubrió un laboratorio natural para probar esta teoría en condiciones extremas: un sistema triple estrella llamado PSR J0337 + 1715, ubicado a unos 4.200 años luz de la Tierra. Este sistema contiene una estrella de neutrones en una órbita de 1.6 días con una estrella enana blanca, y el par en una órbita de 327 días con otra enana blanca más lejana.
"Este es un sistema estelar único", explica Ryan Lynch del Green Bank Observatory en Virginia Occiden tal, coautor del artículo, en un comunicado. "No sabemos de otros como este. Eso lo convierte en un laboratorio único en su clase para poner a prueba las teorías de Einstein".
Desde su descubrimiento, el sistema triple ha sido observado regularmente por el GBT, el Telescopio de Radio Westerbork Synthesis en los Países Bajos y el Observatorio NSF de Arecibo en Puerto Rico. El GBT ha pasado más de 400 horas observando este sistema, tomando datos y calculando cómo se mueve cada objeto en relación con el otro.
Los telescopios pudieron estudiar este atractivo sistema estelar porque la citada estrella de neutrones es en realidad un púlsar. Muchos púlsares giran con una consistencia que compite con algunos de los relojes atómicos más precisos de la Tierra.
"Como uno de los radiotelescopios más sensibles del mundo, el GBT está preparado para recoger estos leves pulsos de ondas de radio para estudiar la física extrema", explica Lynch. La estrella de neutrones en este sistema pulsa (rota) 366 veces por segundo.
"Podemos dar cuenta de cada pulso de la estrella de neutrones desde que comenzamos nuestras observaciones", añade Anne Archibald, principal autor del artículo. "Podemos decir su ubicación dentro de unos pocos cientos de metros. Esa es una pista realmente precisa de dónde ha estado la estrella de neutrones y hacia dónde va".
Caen con la misma aceleración
Si las alternativas a la imagen de gravedad de Einstein fueran correctas, entonces la estrella de neutrones y la enana blanca interna caerían cada una de forma diferente hacia la enana blanca externa. "La enana blanca interna no es tan masiva o compacta como la estrella de neutrones, y por lo tanto tiene menos energía de enlace gravitacional", señala Scott Ransom, coautor del artículo.
A través de meticulosas observaciones y cuidadosos cálculos, el equipo pudo probar la gravedad del sistema utilizando solo los pulsos de la estrella de neutrones. Descubrieron que cualquier diferencia de aceleración entre la estrella de neutrones y la enana blanca interna es demasiado pequeña para detectarla.
"Si hay una diferencia, no es más que tres partes en un millón", indica la coautora Nina Gusinskaia. Esto impone severas restricciones a cualquier teoría alternativa a la relatividad general.
"Podemos dar cuenta de cada pulso de la estrella de neutrones desde que comenzamos nuestras observaciones", dijo Anne Archibald, principal autora del artículo. "Podemos decir su ubicación dentro de unos pocos cientos de metros. Esa es una pista realmente precisa de dónde ha estado la estrella de neutrones y hacia dónde va".
Este resultado es diez veces más preciso que la mejor prueba anterior de la gravedad, lo que hace que la evidencia del Principio de Equivalencia Fuerte de Einstein sea mucho más sólida. "Siempre estamos buscando mejores medidas en nuevos lugares, por lo que nuestra búsqueda de nuevas fronteras en nuestro Universo continuará", concluyó Ransom.
Si las alternativas a la imagen de gravedad de Einstein fueran correctas, entonces la estrella de neutrones y la enana blanca interna caerían cada una de forma diferente hacia la enana blanca externa. "La enana blanca interna no es tan masiva o compacta como la estrella de neutrones, y por lo tanto tiene menos energía de enlace gravitacional", señala Scott Ransom, coautor del artículo.
A través de meticulosas observaciones y cuidadosos cálculos, el equipo pudo probar la gravedad del sistema utilizando solo los pulsos de la estrella de neutrones. Descubrieron que cualquier diferencia de aceleración entre la estrella de neutrones y la enana blanca interna es demasiado pequeña para detectarla.
"Si hay una diferencia, no es más que tres partes en un millón", indica la coautora Nina Gusinskaia. Esto impone severas restricciones a cualquier teoría alternativa a la relatividad general.
"Podemos dar cuenta de cada pulso de la estrella de neutrones desde que comenzamos nuestras observaciones", dijo Anne Archibald, principal autora del artículo. "Podemos decir su ubicación dentro de unos pocos cientos de metros. Esa es una pista realmente precisa de dónde ha estado la estrella de neutrones y hacia dónde va".
Este resultado es diez veces más preciso que la mejor prueba anterior de la gravedad, lo que hace que la evidencia del Principio de Equivalencia Fuerte de Einstein sea mucho más sólida. "Siempre estamos buscando mejores medidas en nuevos lugares, por lo que nuestra búsqueda de nuevas fronteras en nuestro Universo continuará", concluyó Ransom.
Referencia
Universality of free fall from the orbital motion of a pulsar in a stellar triple system. A. Archibald, et al., Nature, volume 559, pages73–76 (2018). DOI :https://doi.org/10.1038/s41586-018-0265-1
Universality of free fall from the orbital motion of a pulsar in a stellar triple system. A. Archibald, et al., Nature, volume 559, pages73–76 (2018). DOI :https://doi.org/10.1038/s41586-018-0265-1