Radio Pulsar Binary demuestra que Einstein tiene al menos un 99,99% de razón

Los investigadores han pasado 16 años tratando de desafiar la teoría general de la relatividad de Einstein. El equipo internacional observó las estrellas, un par de estrellas extremas, o más bien púlsares, a través de siete radiotelescopios repartidos por todo el mundo. Crédito: Instituto Max Planck de Radioastronomía

Han pasado más de cien años desde que Einstein formuló su Teoría General de la Relatividad (GR), la teoría geométrica de la gravitación que revolucionó nuestra comprensión del universo. Y, sin embargo, los astrónomos todavía lo están poniendo a prueba, con la esperanza de encontrar desviaciones de esta teoría establecida. La razón es clara. Cualquier instrucción en física fuera de GR abrirá nuevas ventanas en el Universo para ayudar a resolver algunos de los misterios más profundos sobre el Universo.

Uno de los experimentos más duros jamás llevado a cabo recientemente por un equipo internacional de astrónomos dirigido por Michael Kramer del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn, Alemania. Usando siete radiotelescopios de todo el mundo, Kramer և y sus colegas observaron un par único de púlsares durante 16 años. En el proceso, notaron por primera vez los efectos predichos por GR exactitud: al menos el 99,99%.

Además de los investigadores de MPIfR, a Kramer և y sus asociados se unieron investigadores de instituciones de diez países diferentes, incluido el Centro de Astrofísica de Jodrell Bank (Reino Unido), el Centro ARC para la Detección de Ondas de Gravedad (Australia) y el Instituto Perimeter. de Física Teórica (Canadá), Observatorio de París (Francia), Osservatorio Astronomico di Cagliari (Italia), Observatorio de Radioastronomía de Sudáfrica (SARAO), Instituto Holandés de Radioastronomía (ASTRON) և Estrella de Arecibo.

Los púlsares son estrellas de neutrones de giro rápido que emiten rayos de ondas de radio angostos y penetrantes. Préstamo: NASA Goddard Space Flight Center

Los «radio púlsares» son una clase especial de estrellas de neutrones altamente magnetizadas y de giro rápido. Estos objetos súper densos emiten poderosas ondas de radio desde sus polos, que (cuando se combinan con su rápida rotación) crean un efecto estroboscópico similar al de una luz estroboscópica. Los astrónomos están fascinados con los púlsares porque brindan una gran cantidad de información sobre objetos supercompactos, campos magnéticos, medios interestelares (ISM), física planetaria e incluso cosmología.

Además, las fuerzas gravitatorias extremas involucradas permiten a los astrónomos probar las predicciones de las teorías gravitatorias, como GR GR Dinámica newtoniana modificada (MOND) en algunas de las condiciones más extremas imaginables. Para su estudio, Kramer և y su equipo inspeccionaron el sistema PSR J0737-3039 A/B, «Double Pulse», ubicado a 2.400 años luz de la Tierra. Cachorros de la constelación:.

Este sistema es la única radio púlsar binario cuando se observa և descubierto en 2003 por miembros del equipo de investigación. Los dos pulsos que componen este sistema tienen rotaciones rápidas: 44 veces por segundo (A), 2,8 segundos una vez (B) և giran uno alrededor del otro durante solo 147 minutos. Son un 30% más masivos que el Sol, pero solo tienen 24 km (15 millas) de diámetro. En consecuencia, su extrema gravedad և intensos campos magnéticos.

Además de estas características, la rápida órbita de este sistema lo convierte en un laboratorio casi perfecto para probar teorías de la gravedad. Como dijo el profesor Kramer en un reciente comunicado de prensa de MPIfR:

«Hemos estudiado un sistema de estrellas compactas, que es un laboratorio sin igual para probar teorías de la gravedad con campos gravitatorios muy fuertes. Para nuestro deleite, pudimos probar la piedra angular de la teoría de la energía de Einstein. ondas gravitacionales«con una precisión que es 25 veces mejor que la del púlsar Hulse-Taylor, ganador del Premio Nobel, 1000 veces mejor que lo que actualmente es posible con los detectores de ondas gravitacionales».

La impresión del artista de la trayectoria de la estrella S2, que pasa muy cerca de Sagitario A*, lo que también permite a los astrónomos probar las predicciones de la teoría general de la relatividad en condiciones extremas. Préstamo: ESO/M. Kornmeser

Se utilizaron siete radiotelescopios para la campaña de observación de 16 años, incluido el radiotelescopio Parkes (Australia), el telescopio Green Bank (EE. UU.), el radiotelescopio Nançay (Francia), el telescopio Effelsberg de 100 m (Alemania) y Lovell. Radiotelescopio (Reino Unido), Westerbork Synthesis Radio Telescope (Países Bajos) և Masa base muy larga (EE. UU.).

Estos observatorios cubrieron diferentes partes del espectro de radio, desde 334 MHz և 700 MHz hasta 1300-1700 MHz, 1484 MHz և 2520 MHz. Al hacerlo, pudieron ver cómo los fotones de este púlsar binario se veían afectados por su fuerte atracción gravitacional. Como explicó la profesora Ingrid Steers, coautora del estudio de la Universidad de Columbia Británica (UBC) en Vancouver:

«Seguimos la propagación de los haces de radio emitidos por la baliza espacial, el púlsar, y su movimiento en el fuerte campo gravitatorio del púlsar compañero. Vemos por primera vez cómo la luz se retrasa no solo por la fuerte curvatura del tiempo alrededor del compañero, sino también porque la luz se desvía en un pequeño ángulo de 0,04 grados, que podemos detectar. Nunca antes se había hecho un intento de este tipo con una curvatura del espacio-tiempo tan alta”.

Como dijo el profesor Dick Manchesterster, coautor de la Asociación Australiana para la Investigación Científica e Industrial (CSIRO), el rápido movimiento orbital de estos objetos compactos les permitió probar siete predicciones diferentes de GR. Estos incluyen ondas gravitacionales, dispersión de luz (retraso de Shapiro և flexión de la luz), expansión del tiempo, equivalencia masa-energía (E = mc^2:), և ¿Cuál es el efecto de la radiación electromagnética en el movimiento orbital del púlsar?

Telescopio Robert C. Byrd Green Bank (GBT) en Virginia Occidental. Préstamo: GBO / AUI / NSF

«Esta radiación corresponde a una pérdida de masa de 8 millones de toneladas por segundo». él dijo. «Si bien esto puede parecer mucho, es solo una fracción de una fracción de un billón (!) – Masa púlsar por segundo». Los investigadores también realizaron mediciones extremadamente precisas del cambio en la orientación orbital de los púlsares, un efecto relativo observado por primera vez en relación con la órbita de Mercurio, uno de los misterios que ayudaron a resolver la teoría GR de Einstein.

Solo aquí, el efecto fue 140.000 veces más fuerte, lo que llevó al equipo a darse cuenta de que también tenían que tener en cuenta el efecto de la rotación del púlsar en el tiempo transcurrido a su alrededor. Lentes – Efecto tirring o «shot». El Dr. Norbert Wex de MPIfR, otro autor principal del estudio, logró este avance.

«En nuestra experiencia, esto significa que tenemos que mirar la estructura interna del púlsar como un estrella neutrón. «Por lo tanto, nuestras mediciones nos permiten utilizar por primera vez un seguimiento preciso de estrellas de neutrones, una técnica que llamamos tiempo de púlsar para limitar el alargamiento de estrellas de neutrones».

Otro resultado valioso de este experimento fue cómo el equipo combinó técnicas de monitoreo adicionales para obtener mediciones de distancia de alta precisión. Dichos estudios a menudo se han visto obstaculizados por estimaciones de distancia limitadas deficientemente en el pasado. Combinando técnicas de tiempo de púlsar con mediciones interferométricas cuidadosas (efectos ISM), el equipo obtuvo una salida de alta resolución de 2400 años luz con una tasa de error del 8%.

La ilustración del artista de la fusión de dos estrellas de neutrones. Los haces estrechos representan estallidos de rayos gamma, mientras que la red de longitud de onda de tiempo muestra ondas gravitacionales isotrópicas que caracterizan la fusión. Préstamo: NSF / LIGO / Universidad Estatal de Sonoma / A. Simón:

Al final, los resultados del equipo no solo coincidieron con los de GR, sino que pudieron ver efectos que no se habían explorado previamente. Como lo expresó Paulo Freire, otro coautor del estudio (también de MPIfR):

«Nuestros resultados se complementan bien con otros estudios experimentales que prueban la gravedad en diferentes condiciones o ven diferentes efectos, como los detectores de ondas gravitacionales o el Telescopio de Eventos Horizon». Complementan otros experimentos con púlsares, como nuestra experiencia temporal con el púlsar en el sistema estelar triple, que proporcionó una ()excelente) prueba independiente de la universalidad de la caída libre”.

«Hemos alcanzado un nivel de precisión sin precedentes», concluyó el prof. Kramer. «Los experimentos futuros con telescopios más grandes pueden ir aún más lejos. Nuestro trabajo ha demostrado cómo deben llevarse a cabo tales experimentos, que ahora deben tenerse en cuenta las sutiles consecuencias. Y tal vez algún día encontremos una desviación de la teoría general de la relatividad”.

Un artículo que describe su investigación apareció recientemente en la revista Resumen físico X:,

Publicado originalmente El universo hoy.

Para saber más sobre esta investigación.

Referencia. «Pruebas de gravedad de campo fuerte con doble púlsar» M. Por Kramer և Otros, 13 de diciembre de 2021 Resumen físico X:.
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041050: