3 de diciembre de 2020
22 de octubre de 2020

Un efecto de la Relatividad de Einstein, visto en estrellas lejanas

Un efecto de la Relatividad de Einstein, visto en estrellas lejanas
Un efecto predicho por Albert Einstein ha sido identificado en un sistema de estrellas dobles a unos 29.000 años luz de la Tierra. - CHANDRA X RAY OBSERVATORY

MADRID, 22 Oct. (EUROPA PRESS) -

El Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, ha revelado un efecto de la Relatividad de Einstein donde la luz cambia a colores más rojos debido a la gravedad en un binario a 29.000 años luz.

Si bien estas estrellas están muy distantes, los desplazamientos al rojo gravitacionales tienen impactos tangibles en la vida moderna, ya que los científicos e ingenieros deben tenerlos en cuenta para permitir posiciones precisas para el GPS.

Aunque los científicos han encontrado evidencia incontrovertible de corrimientos al rojo gravitacionales en nuestro sistema solar, ha sido un desafío observarlos en objetos más distantes en el espacio. Los nuevos resultados de Chandra proporcionan evidencia convincente de los efectos de desplazamiento al rojo gravitacionales en juego en un nuevo entorno cósmico.

El intrigante sistema conocido como 4U 1916-053 contiene dos estrellas en una órbita notablemente cercana. Uno es el núcleo de una estrella a la que se le han quitado sus capas externas, dejando una estrella que es mucho más densa que el Sol. La otra es una estrella de neutrones, un objeto aún más denso creado cuando una estrella masiva colapsa en una explosión de supernova. La estrella de neutrones se muestra en el centro de un disco de gas caliente alejado de su compañera.

Estas dos estrellas compactas están a solo 320.000 kilómetros de distancia, aproximadamente la distancia entre la Tierra y la Luna. Mientras la Luna orbita nuestro planeta una vez al mes, la densa estrella compañera en 4U 1916-053 gira alrededor de la estrella de neutrones y completa una órbita completa en solo 50 minutos.

En el nuevo trabajo sobre 4U 1916-053, el equipo analizó los espectros de rayos X, es decir, las cantidades de rayos X en diferentes longitudes de onda, de Chandra. Encontraron la firma característica de la absorción de la luz de rayos X por el hierro y el silicio en los espectros.

En tres observaciones separadas con Chandra, los datos muestran una fuerte caída en la cantidad detectada de rayos X cerca de las longitudes de onda donde se espera que los átomos de hierro o silicio absorban los rayos X, según un comunicado.

Sin embargo, las longitudes de onda de estas firmas características de hierro y silicio se cambiaron a longitudes de onda más largas o más rojas en comparación con los valores de laboratorio que se encuentran aquí en la Tierra. Los investigadores encontraron que el cambio de las características de absorción era el mismo en cada una de las tres observaciones de Chandra, y que era demasiado grande para explicarse por el movimiento alejándose de nosotros. En cambio, concluyeron que fue causado por un corrimiento al rojo gravitacional.

CONEXIÓN CON EL GPS

¿Cómo se conecta esto con la relatividad general y el GPS? Como predice la teoría de Einstein, los relojes sometidos a la fuerza de la gravedad funcionan a un ritmo más lento que los relojes vistos desde una región distante que experimenta una gravedad más débil. Esto significa que los relojes de la Tierra observados desde satélites en órbita funcionan a un ritmo más lento. Para tener la alta precisión necesaria para el GPS, se debe tener en cuenta este efecto o habrá pequeñas diferencias en el tiempo que se sumarían rápidamente, calculando posiciones inexactas.

Todos los tipos de luz, incluidos los rayos X, también se ven afectados por la gravedad. Una analogía es la de una persona que sube corriendo una escalera mecánica que baja. Al hacer esto, la persona pierde más energía que si la escalera mecánica estuviera parada o subiendo. La fuerza de la gravedad tiene un efecto similar sobre la luz, donde una pérdida de energía da una frecuencia más baja. Debido a que la luz en el vacío siempre viaja a la misma velocidad, la pérdida de energía y una frecuencia más baja significa que la luz, incluidas las firmas de hierro y silicio, cambia a longitudes de onda más largas.

Esta es la primera evidencia sólida de que las firmas de absorción se desplazan a longitudes de onda más largas por la gravedad en un par de estrellas que tienen una estrella de neutrones o un agujero negro. Previamente se ha observado una fuerte evidencia de los desplazamientos al rojo gravitacionales en la absorción en la superficie de las enanas blancas, con cambios de longitud de onda típicamente sólo alrededor del 15% de los de 4U 1916-053.

Los científicos dicen que es probable que una atmósfera gaseosa que cubre el disco cerca de la estrella de neutrones absorbió los rayos X, produciendo estos resultados.

El tamaño del cambio en los espectros permitió al equipo calcular la distancia de esta atmósfera a la estrella de neutrones, usando la relatividad general y asumiendo una masa estándar para la estrella de neutrones. Descubrieron que la atmósfera se encuentra a 2.200 kilómetros de la estrella de neutrones, aproximadamente la mitad de la distancia de Los Ángeles a Nueva York y equivalente a solo el 0,7% de la distancia de la estrella de neutrones a su compañera. Es probable que se extienda a varios cientos de kilómetros de la estrella de neutrones.

En dos de los tres espectros también hay evidencia de firmas de absorción que se han desplazado a longitudes de onda aún más rojas, lo que corresponde a una distancia de solo el 0,04% de la distancia entre la estrella de neutrones y la compañera. Sin embargo, estas firmas se detectan con menos confianza que las más alejadas de la estrella de neutrones.

Un artículo que describe estos resultados se publicó en The Astrophysical Journal.

Para leer más