Creación artística del sistema binario PSR J1141-6545. El púlsar orbita a su enana blanca cada 4.8 horas. La rotación rápida de la enana blanca arrastra el espacio-tiempo a su alrededor, haciendo que toda la órbita cambie su orientación. Crédito: ©Mark Myers/ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), Australia.
Uno de los avances más importantes de la Física del siglo pasado fue considerar que el espacio y el tiempo se pueden combinar en un modelo matemático y expresarse como un continuo.
Según este modelo, basado en las teorías de la relatividad de Einstein, el tiempo no puede considerarse separado del espacio en el que transcurre y, al igual que las tres dimensiones espaciales, depende también del movimiento de los cuerpos.
De esta forma, apreciamos que el universo no es como se había imaginado a lo largo de la historia, un espacio lleno de objetos celestes en movimiento libre, sino un continuo espacio-tiempo en el que los soles, estrellas y planetas tienen en realidad tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal, todas inseparables, que determinan sus destinos.
La relatividad general nos permitió descubrir también que los objetos celestes no están colgados en el universo, sino que ejercen presión sobre el continuo espacio-tiempo, que se curva en presencia de objetos masivos como planetas.
Es como si un enorme balón de plomo cayera sobre un campo de fútbol: el césped se hundiría bajo su enorme peso y deformaría el terreno de juego.
Así podemos imaginar cómo es en realidad el tejido del universo: un terreno minado por enormes cuerpos celestes que lo deforman por su efecto gravitatorio. Imposible recorrerlo (o conocerlo) si no conocemos esta orografía.
Por último, otra de las derivadas de la relatividad general es que esos cuerpos celestes no solo hunden el continuo espacio-tiempo, sino que también lo arrastran en su rotación, en un proceso conocido como efecto Lense-Thirring, establecido en 1918: provoca que la órbita de un objeto celeste sufra una precesión o un cambio en el plano de su órbita, de la misma forma que el eje de una peonza bascula hacia los lados cuando gira.
Cuanto más rápido gira un planeta y cuánto más masivo es, más potente es su efecto sobre el continuo-espacio tiempo: lo obliga a girar a su ritmo, como lo hace la falda de una bailarina de ballet que da vueltas sobre la pista de hielo.
Laboratorio celeste
Este fenómeno no es perceptible a simple vista: la Tierra no solo está hundiendo el continuo-espacio tiempo bajo sus pies, sino que también lo está haciendo girar siguiendo su ritmo de rotación. Pero no nos damos cuenta. Necesitamos potentes satélites y mucho tiempo y dinero para observarlo.
Los científicos han confirmado ahora esta predicción de Einstein en un escenario estelar remoto, en el que los campos gravitatorios son más densos.
Han estudiado con detalle un sistema binario compuesto de dos estrellas que se orbitan mutuamente. Ese sistema binario está situado en la constelación de La Mosca: su estrella más brillante se encuentra a 306 años luz de nuestro sistema solar.
En ese sistema estelar se encuentran el púlsar PSR J1141-6545 (una estrella de neutrones) y una enana blanca (restos de una estrella) que rotan entre sí por periodos (“años”) de menos de 5 horas terrestres.
Las enanas blancas son ideales para estudiar el efecto Lense-Thirring: son por lo general similares en tamaño a la Tierra, pero cientos de miles de veces más masivas. También pueden rotar muy rápidamente, hasta una revolución por minuto.
En estas estrellas, el arrastre giratorio del efecto Lense-Thirring sería aproximadamente 100 millones de veces más poderoso que el de la Tierra. Mucho más sencillo de ser detectado, aunque no podamos enviar satélites a sistemas binarios tan remotos.
Según este modelo, basado en las teorías de la relatividad de Einstein, el tiempo no puede considerarse separado del espacio en el que transcurre y, al igual que las tres dimensiones espaciales, depende también del movimiento de los cuerpos.
De esta forma, apreciamos que el universo no es como se había imaginado a lo largo de la historia, un espacio lleno de objetos celestes en movimiento libre, sino un continuo espacio-tiempo en el que los soles, estrellas y planetas tienen en realidad tres dimensiones espaciales y una dimensión temporal, todas inseparables, que determinan sus destinos.
La relatividad general nos permitió descubrir también que los objetos celestes no están colgados en el universo, sino que ejercen presión sobre el continuo espacio-tiempo, que se curva en presencia de objetos masivos como planetas.
Es como si un enorme balón de plomo cayera sobre un campo de fútbol: el césped se hundiría bajo su enorme peso y deformaría el terreno de juego.
Así podemos imaginar cómo es en realidad el tejido del universo: un terreno minado por enormes cuerpos celestes que lo deforman por su efecto gravitatorio. Imposible recorrerlo (o conocerlo) si no conocemos esta orografía.
Por último, otra de las derivadas de la relatividad general es que esos cuerpos celestes no solo hunden el continuo espacio-tiempo, sino que también lo arrastran en su rotación, en un proceso conocido como efecto Lense-Thirring, establecido en 1918: provoca que la órbita de un objeto celeste sufra una precesión o un cambio en el plano de su órbita, de la misma forma que el eje de una peonza bascula hacia los lados cuando gira.
Cuanto más rápido gira un planeta y cuánto más masivo es, más potente es su efecto sobre el continuo-espacio tiempo: lo obliga a girar a su ritmo, como lo hace la falda de una bailarina de ballet que da vueltas sobre la pista de hielo.
Laboratorio celeste
Este fenómeno no es perceptible a simple vista: la Tierra no solo está hundiendo el continuo-espacio tiempo bajo sus pies, sino que también lo está haciendo girar siguiendo su ritmo de rotación. Pero no nos damos cuenta. Necesitamos potentes satélites y mucho tiempo y dinero para observarlo.
Los científicos han confirmado ahora esta predicción de Einstein en un escenario estelar remoto, en el que los campos gravitatorios son más densos.
Han estudiado con detalle un sistema binario compuesto de dos estrellas que se orbitan mutuamente. Ese sistema binario está situado en la constelación de La Mosca: su estrella más brillante se encuentra a 306 años luz de nuestro sistema solar.
En ese sistema estelar se encuentran el púlsar PSR J1141-6545 (una estrella de neutrones) y una enana blanca (restos de una estrella) que rotan entre sí por periodos (“años”) de menos de 5 horas terrestres.
Las enanas blancas son ideales para estudiar el efecto Lense-Thirring: son por lo general similares en tamaño a la Tierra, pero cientos de miles de veces más masivas. También pueden rotar muy rápidamente, hasta una revolución por minuto.
En estas estrellas, el arrastre giratorio del efecto Lense-Thirring sería aproximadamente 100 millones de veces más poderoso que el de la Tierra. Mucho más sencillo de ser detectado, aunque no podamos enviar satélites a sistemas binarios tan remotos.
Midiendo pulsos
Para medir el arrastre del espacio-tiempo en este sistema binario, los astrónomos se valieron de la radiación que emite el púlsar PSR J1141-6545 desde sus polos, cada vez que gira alrededor de la enana blanca.
La radiación, detectada por los radiotelescopios terrestres, determina el tiempo de cada pulso y permite a los astrónomos establecer la velocidad de giro del púlsar y cómo se está moviendo.
Los investigadores realizaron mediciones exactas de los tiempos invertidos por los pulsos de radiación y calcularon cómo ha sido el proceso durante los últimos 20 años: descubrieron que la enana blanca está girando a una velocidad superior a la que le corresponde, confirmando así por primera vez el efecto Lense-Thirring en un sistema binario, predicho hace más de un siglo por Einstein.
El descubrimiento no sólo confirma la precesión (cambio en la orientación del eje de rotación de un cuerpo giratorio) por el efecto Lense-Thirring, sino que también ha permitido a los astrónomos estimar el período de rotación de la enana blanca: de unos 100 segundos.
Según los investigadores, esta velocidad de rotación confirma además que, antes de la explosión de supernova que formó el púlsar hace 1,5 millones de años, hubo una transferencia de masa significativa del progenitor del púlsar a la enana blanca.
Así han obtenido más información sobre la formación de este remoto sistema binario y de otros sistemas estelares parecidos. Muchos más efectos predichos por la relatividad general podrán investigarse ahora gracias a este descubrimiento, según los investigadores.
Para medir el arrastre del espacio-tiempo en este sistema binario, los astrónomos se valieron de la radiación que emite el púlsar PSR J1141-6545 desde sus polos, cada vez que gira alrededor de la enana blanca.
La radiación, detectada por los radiotelescopios terrestres, determina el tiempo de cada pulso y permite a los astrónomos establecer la velocidad de giro del púlsar y cómo se está moviendo.
Los investigadores realizaron mediciones exactas de los tiempos invertidos por los pulsos de radiación y calcularon cómo ha sido el proceso durante los últimos 20 años: descubrieron que la enana blanca está girando a una velocidad superior a la que le corresponde, confirmando así por primera vez el efecto Lense-Thirring en un sistema binario, predicho hace más de un siglo por Einstein.
El descubrimiento no sólo confirma la precesión (cambio en la orientación del eje de rotación de un cuerpo giratorio) por el efecto Lense-Thirring, sino que también ha permitido a los astrónomos estimar el período de rotación de la enana blanca: de unos 100 segundos.
Según los investigadores, esta velocidad de rotación confirma además que, antes de la explosión de supernova que formó el púlsar hace 1,5 millones de años, hubo una transferencia de masa significativa del progenitor del púlsar a la enana blanca.
Así han obtenido más información sobre la formación de este remoto sistema binario y de otros sistemas estelares parecidos. Muchos más efectos predichos por la relatividad general podrán investigarse ahora gracias a este descubrimiento, según los investigadores.
Referencia
Lense-Thirring frame-dragging induced by a fast rotating white dwarf in a binary pulsar system. V. Venkatraman Krishnan et al. Science 31 Jan 2020:Vol. 367, Issue 6477, pp. 577-580. DOI:10.1126/science.aax7007
Lense-Thirring frame-dragging induced by a fast rotating white dwarf in a binary pulsar system. V. Venkatraman Krishnan et al. Science 31 Jan 2020:Vol. 367, Issue 6477, pp. 577-580. DOI:10.1126/science.aax7007