Teoría de la relatividad de Einstein, crítica para los GPS, observada en estrellas distantes.

¿Qué tienen en común Albert Einstein, el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y un par de estrellas a 200.000 billones de millas de la Tierra?

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 (gris) se muestra en la impresión de este artista en el centro de un disco de gas caliente alejado de su compañera (estrella blanca a la izquierda). (Crédito: NASA / CXC / M.Weiss).

La respuesta es un efecto de la Teoría General de la Relatividad de Einstein llamado "corrimiento al rojo gravitacional", donde la luz cambia a colores más rojos debido a la gravedad. Utilizando el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, los astrónomos han descubierto el fenómeno en dos estrellas que orbitan entre sí en nuestra galaxia a unos 29.000 años luz (200.000 billones de millas) de la Tierra. 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.

Si bien 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 (gris) se muestra en la impresión de este artista en el centro de un disco de gas caliente alejado de su compañera (estrella blanca a la izquierda).

Estas dos estrellas compactas están a solo 215.000 millas 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. En el gráfico principal se incluye uno de los espectros que muestran la absorción por el hierro, las caídas de la izquierda y la derecha. Un gráfico adicional muestra un espectro con absorción por silicio. En ambos espectros, los datos se muestran en gris y un modelo de computadora en rojo.

Los científicos que utilizan datos de Chandra han encontrado evidencia de un efecto predicho por Einstein llamado desplazamiento al rojo gravitacional en un par de estrellas en órbita a través de la Galaxia. Anteriormente, los astrónomos encontraron evidencia incontrovertible de este fenómeno en nuestro Sistema Solar, pero ha sido un desafío observarlo en objetos más distantes. Los datos de Chandra muestran este efecto en los espectros, o cantidades de rayos X en longitudes de onda de 4U 1916-053. Se ven cambios en las firmas de hierro y silicio. Este sistema contiene una estrella de neutrones y una estrella compañera en una órbita notablemente cercana. (Crédito: NASA / CXC / Universidad de Michigan / N. Trueba et al.).

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 (que se muestran con la línea vertical azul para cada firma de absorción). 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.

¿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, este efecto debe tenerse en cuenta 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 (que se muestra en azul) absorbió los rayos X, produciendo estos resultados. (Esta atmósfera no está relacionada con la protuberancia de gas rojo en la parte exterior del disco que bloquea la luz de la parte interior del disco una vez por órbita). El tamaño del cambio en los espectros permitió al equipo calcular qué tan lejos esta atmósfera está lejos de 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 1.500 millas 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 millas de la estrella de neutrones.

Tour: Teoría de la relatividad de Einstein, crítica para GPS, vista en estrellas distantes.

 (Crédito: NASA / CXC / A. Hobart)

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.

Los científicos han recibido más tiempo de observación de Chandra durante el próximo año para estudiar este sistema con más detalle.

Un artículo que describe estos resultados se publicó en la edición del 10 de agosto de 2020 de The Astrophysical Journal Letter y también aparece en línea. Los autores del artículo son Nicolas Trueba y Jon Miller (Universidad de Michigan en Ann Arbor), Andrew Fabian (Universidad de Cambridge, Reino Unido), J. Kaastra (Instituto Holandés de Investigación Espacial), T.Kallman (Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA). en Greenbelt, Maryland), A. Lohfink (Universidad Estatal de Montana), D. Proga (Universidad de Nevada, Las Vegas), John Raymond (Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian), Christopher Reynolds (Universidad de Cambridge) y M. Reynolds y A. Zoghbi (Universidad de Michigan).

El Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA administra el programa Chandra. El CXC del Observatorio Astrofísico Smithsoniano controla las operaciones científicas y de vuelo desde Cambridge y Burlington, Massachusetts.

Crédito: Spectrum: NASA/CXC/University of Michigan/N. Trueba et al.; Illustration: NASA/CXC/M. Weiss

• Publicado en Chandra el 22 de octubre del 2020, enlace publicación.