Factor de deformación: hemos observado una estrella giratoria que arrastra el tejido mismo del espacio y el tiempo

Una de las predicciones de la teoría general de la relatividad de Einstein es que cualquier cuerpo giratorio arrastra el tejido mismo del espacio-tiempo en su vecindad con él. Esto se conoce como «arrastre de fotogramas».

En la vida cotidiana, el arrastre de fotogramas es indetectable e intrascendente, ya que el efecto es ridículamente pequeño. La detección del arrastre del marco causado por el giro de la Tierra requiere satélites como la Sonda Gravitatoria B de 750 millones de dólares estadounidenses, y la detección de cambios angulares en giroscopios equivalentes a solo un grado cada 100.000 años aproximadamente.

Afortunadamente para nosotros, el Universo contiene muchos laboratorios gravitacionales naturales donde los físicos pueden observar las predicciones de Einstein trabajando con exquisito detalle. La investigación de nuestro equipo, publicada hoy en Science, revela evidencia de arrastre de cuadros en una escala mucho más notable, utilizando un radiotelescopio y un par único de estrellas compactas que zumban una alrededor de la otra a velocidades vertiginosas.

El movimiento de estas estrellas habría desconcertado a los astrónomos en el tiempo de Newton, ya que se mueven claramente en un espacio-tiempo deformado, y requieren la teoría general de la relatividad de Einstein para explicar sus trayectorias.

El sistema binario enana blanca-púlsar PSR J1141-6545 descubierto por el radiotelescopio Parkes de CSIRO. El púlsar orbita a su compañera enana blanca cada 4,8 horas. La rápida rotación de la enana blanca arrastra el espacio-tiempo a su alrededor, haciendo que toda la órbita caiga en el espacio. Mark Myers/Centro de Excelencia para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales (OzGrav)

La relatividad general es la base de la teoría gravitacional moderna. Explica el movimiento preciso de las estrellas, planetas y satélites, e incluso el flujo del tiempo. Una de sus predicciones menos conocidas es que los cuerpos giratorios arrastran el espacio-tiempo con ellos. Cuanto más rápido gira un objeto y más masivo es, más potente es el arrastre.

Un tipo de objeto para el que esto es muy relevante se llama enana blanca. Estos son los núcleos sobrantes de estrellas muertas que alguna vez fueron varias veces la masa de nuestro Sol, pero que desde entonces han agotado su combustible de hidrógeno. Lo que queda es similar en tamaño a la Tierra, pero cientos de miles de veces más masivo. Las enanas blancas también pueden girar muy rápidamente, girando cada minuto o dos, en lugar de cada 24 horas como lo hace la Tierra.

El arrastre de marco causado por una enana blanca de este tipo sería aproximadamente 100 millones de veces más poderoso que el de la Tierra.

Eso está muy bien, pero no podemos volar a una enana blanca y lanzar satélites a su alrededor. Afortunadamente, sin embargo, la naturaleza es amable con los astrónomos y tiene su propia manera de permitirnos observarlos, a través de estrellas en órbita llamadas púlsares.

Hace veinte años, el radiotelescopio Parkes de CSIRO descubrió un par estelar único que consistía en una enana blanca (del tamaño de la Tierra, pero unas 300.000 veces más pesada) y un púlsar de radio (del tamaño de una ciudad, pero 400.000 veces más pesado).

En comparación con las enanas blancas, los púlsares están en otra liga. No están hechos de átomos convencionales, sino de neutrones apretados, haciéndolos increíblemente densos. Además, el púlsar de nuestro estudio gira 150 veces por minuto.

Esto significa que, 150 veces por minuto, un «haz de faro» de ondas de radio emitidas por este púlsar pasa por nuestro mirador aquí en la Tierra. Podemos usar esto para mapear la trayectoria del púlsar mientras orbita a la enana blanca, cronometrando cuando su pulso llega a nuestro telescopio y conociendo la velocidad de la luz. Este método reveló que las dos estrellas orbitan entre sí en menos de 5 horas.

Este par, oficialmente llamado PSR J1141-6545, es un laboratorio gravitacional ideal. Desde 2001 hemos viajado a Parkes varias veces al año para mapear la órbita de este sistema, que exhibe una multitud de efectos gravitacionales einsteinianos.

El mapeo de la evolución de las órbitas no es para los impacientes, pero nuestras mediciones son ridículamente precisas. Aunque PSR J1141-6545 está a varios cientos de cuatrillones de kilómetros de distancia (un cuatrillón es un millón de billones), sabemos que el púlsar gira 2,5387230404 veces por segundo, y que su órbita está cayendo en el espacio. Esto significa que el plano de su órbita no es fijo, sino que está girando lentamente.

¿Cómo se formó este sistema?

Cuando nacen pares de estrellas, la más masiva muere primero, a menudo creando una enana blanca. Antes de que la segunda estrella muera, transfiere materia a su compañera enana blanca. Se forma un disco a medida que este material cae hacia la enana blanca, y en el transcurso de decenas de miles de años acelera a la enana blanca, hasta que gira cada pocos minutos.

Impresión artística de una enana blanca hilada por la transferencia de materia de su compañera. El material en la superficie de la estrella hinchada cae hacia la enana blanca y forma un disco de material que viaja tan rápido que hace que la estrella gire rápidamente. Centro de Excelencia de Arco para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales

En casos raros como este, la segunda estrella puede detonar en una supernova, dejando atrás un púlsar. La enana blanca que gira rápidamente arrastra el espacio-tiempo con ella, haciendo que el plano orbital del púlsar se incline a medida que es arrastrado. Esta inclinación es lo que observamos a través de nuestro mapeo de pacientes de la órbita del púlsar.

El propio Einstein pensó que muchas de sus predicciones sobre el espacio y el tiempo nunca serían observables. Pero los últimos años han visto una revolución en la astrofísica extrema, incluido el descubrimiento de ondas gravitacionales y la obtención de imágenes de una sombra de agujero negro con una red mundial de telescopios. Estos descubrimientos fueron hechos por instalaciones de miles de millones de dólares.

Afortunadamente, todavía hay un papel en la exploración de la relatividad general para radiotelescopios de 50 años como el de Parkes, y para campañas de pacientes de generaciones de estudiantes graduados.

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