Física

Demuestran el Principio de Equivalencia de Einstein Cerca de un Supermasivo Agujero Negro

Agujero Negro

El principio de equivalencia establece que la fuerza gravitatoria que se experimenta en cualquier pequeña región del espacio-tiempo, es la misma que la seudo fuerza experimentada por un observador.

Un equipo de investigadores ha probado recientemente parte del principio de equivalencia de Einstein, es decir, la invarianza de posición local (IPL), cerca del centro galáctico de un supermasivo agujero negro.

«La relatividad general, y en general todas las teorías métricas de la gravedad se basan en la equivalencia de masa inercial y masa gravitacional, formalizada en el principio de equivalencia de Einstein, una de las investigadoras que llevó a cabo el estudio, dijo «La relatividad general es la mejor teoría de la gravedad que tenemos, sin embargo, hay todavía muchos rompecabezas sin respuesta que están estrechamente relacionados con nuestra comprensión incompleta de la gravedad».

El principio de equivalencia, una parte crucial de la teoría de la relatividad general de Einstein establece que la fuerza gravitatoria que se experimenta en cualquier pequeña región del espacio-tiempo, es la misma que la seudo fuerza experimentada por un observador en un marco de referencia acelerado. La prueba de este principio es de importancia clave, ya que podría llevar a observaciones interesantes y ampliar nuestra comprensión actual de la gravedad.

«El principio de equivalencia de Einstein consta de tres principios principales», explicó Habibi. «Uno de ellos, llamado invarianza de posición local (IPL), establece que las mediciones no gravitacionales deben ser independientes de la ubicación en el espacio-tiempo (caracterizada por el potencial gravitacional) donde se llevan a cabo. La parte principal de nuestro estudio se centra en las pruebas del principio IPL».

Las observaciones anteriores sugieren que la mayoría, si no todas, las galaxias masivas contienen un agujero negro supermasivo, que normalmente se encuentra en el centro de una galaxia. La masa del agujero negro supermasivo del centro de la Vía Láctica es 4 millones más grande que el sol. De este modo, genera el campo gravitatorio más fuerte de la galaxia, lo que lo convierte en el lugar ideal para buscar fenómenos inexplorados y probar los principios de la relatividad general.

La estrella S2, una de las estrellas más brillantes en la región más interna de la Vía Láctea, tiene su encuentro más cercano con el agujero negro supermasivo del centro galáctico a una distancia de 16.3 horas luz. En otras palabras, la estrella tarda 16 años en hacer una órbita completa alrededor del agujero negro, que en escalas de tiempo astronómicas es extremadamente corto. La estrella S2 se mueve dentro y fuera del campo gravitatorio del agujero negro, por lo que el equipo de colaboración de GRAVITY decidió usarlo para probar parte del principio de equivalencia de Einstein.

«Como se predijo, durante el acercamiento más cercano de la estrella S2 al agujero negro, observamos el ‘desplazamiento del rojo-gravitacional’ a la luz de la estrella», explicó Habibi. «El corrimiento al rojo-gravitacional ocurre porque la gravedad intensa en la superficie de la estrella disminuye la vibración de las ondas de luz, estirándolas y haciendo que la estrella aparezca más roja de lo normal en la Tierra».

Para probar el principio IPL de Einstein, los investigadores utilizaron dos tipos diferentes de átomos en la atmósfera estelar de S2: los átomos de hidrógeno y helio. El principio IPL establece que el desplazamiento al rojo gravitacional visto en una estrella que está volando dentro y fuera de un campo gravitatorio fuerte, solo depende del potencial gravitatorio y no se basa en otros parámetros, como la estructura interna del átomo.

 

Unidad Grande del Telescopio (UGT) de ESO,

La imagen muestra uno de los telescopios de la Unidad Grande del Telescopio (UGT) de ESO, apuntando un rayo
     láser hacia la Vía Láctea para crear una estrella artificial. Crédito: Europeo del Sur Observatorio (ESO).

«Medimos el cambio de frecuencia de la luz de estos átomos que se mueven a través de un potencial variable», dijo Habibi. «La vibración de las ondas de luz se midió ajustando la velocidad de la línea de visión del espectro del S2, usando las líneas espectrales de Hidrógeno y Helio por separado. Al medir la diferencia en el cambio de frecuencia para ambos átomos pudimos dar un límite superior al Violación de IPL durante el paso del peri-centro. Si hubiera una violación obvia de IPL deberíamos haber medido vibraciones muy diferentes de las ondas de luz, desde las líneas de helio e hidrógeno».

El principio de equivalencia y la relatividad general en general son meras teorías, por lo que deben ser probadas para determinar su validez. Hasta ahora, la mayoría de los investigadores han realizado pruebas en la Tierra y en el sistema solar.

Sin embargo, estas teorías también deben probarse en escenarios extremos, ya que esto puede determinar si aún se mantienen y dar lugar a pruebas más concluyentes. Tales pruebas podrían descartar algunos de los principios que conforman nuestra comprensión actual de la gravedad o identificar violaciones de la teoría de la relatividad general.

«Probar el principio de equivalencia en todos los regímenes diferentes es importante, ya que varias teorías alternativas de la gravitación predicen una violación de él en condiciones extremas», dijo Félix Widmann, otro investigador involucrado en el estudio. «Para mí, el hallazgo más significativo de nuestro estudio es que pudimos probar el principio de equivalencia en este caso más extremo: cerca de un supermasivo agujero negro que está a más de 20 mil años luz de distancia. Los límites que imponemos a una violación no son muy restrictivos aún, pero se encuentran en un régimen gravitatorio que no había sido probado antes».

Habibi, Widmann y sus colegas fueron de los primeros en probar parte del principio de equivalencia cerca del agujero negro supermasivo central de la Vía Láctea. Su trabajo proporciona información valiosa sobre la validez de la relatividad general, en particular el principio IPL.

«El año pasado fue excepcionalmente exitoso para la colaboración de GRAVITY», dijo Widmann. «Por primera vez, observamos efectos relativistas en la órbita de una estrella alrededor de un agujero negro supermasivo, y utilizamos esta estrella para probar el Principio de Equivalencia. También observamos material orbitando muy cerca del agujero negro, otra observación que hubiera sido imposible sin GRAVEDAD. Sin embargo, esto es más un comienzo que un final para nosotros».

Con la temporada óptima para la observación del centro galáctico a la vuelta de la esquina, los investigadores de la colaboración de GRAVITY continuarán apuntando sus telescopios a S2 y al centro del supermasivo agujero galáctico. Según Widmann, el equipo pronto podrá detectar efectos relativistas más sutiles en la órbita de S2, lo que les permitirá probar la teoría de la relatividad general una vez más. En sus observaciones futuras, los investigadores también esperan ver más actividad de estallido alrededor del agujero negro, ya que esto permitiría realizar más estudios para ampliar su comprensión del agujero galáctico del centro de la Vía Láctea y los agujeros negros en general.

«Con futuros telescopios como el Telescopio Extremadamente Grande, que tiene un espejo de 39 m de diámetro, podremos realizar experimentos similares y buscaremos efectos un millón de veces menores de posibles violaciones de IPL, en comparación con lo que es posible hoy en día». Widmann añadió. «Esto nos permitirá probar la otra parte del principio de equivalencia de Einstein, llamado principio de equivalencia débil, que establece que un objeto en caída libre gravitacional es físicamente equivalente a un objeto que está acelerando con la misma cantidad de fuerza en ausencia de gravedad. El centro galáctico es un observatorio único, y con GRAVITY y los futuros telescopios queremos aprender lo más posible sobre esto».

 

Fuente: Ingrid Fadelli, Phys.org

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