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Observan una estrella giratoria que arrastra la estructura misma del espacio y el tiempo

Centro de Excelencia para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales
El púlsar (PSR J1141-6545) orbita a su enana blanca cada 4.8 horas. La rápida rotación arrastra el espacio-tiempo a su alrededor. Imagen: OzGrav

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. Esto se conoce como «frame-dragging (que se podría traducir como ‘arrastre del marco de referencia’)».

En la vida cotidiana, el arrastre del marco de referencia es indetectable e intrascendente, puesto que el efecto es ridículamente pequeño. Afortunadamente para nosotros, el Universo contiene muchos laboratorios gravitacionales naturales donde los físicos pueden observar las predicciones de Einstein con exquisito detalle.

La investigación realizada por un equipo de investigadores del Centro de Excelencia para el Descubrimiento de Ondas Gravitacionales (OzGrav) del Concejo de Investigación Australiano (ARC, por sus siglas en inglés), fue publicada hoy en Science, y revela evidencia de arrastre del marco de referencia a una escala mucho más notable, utilizando un radiotelescopio y un par único de estrellas compactas que se mueven unas a otras a velocidades vertiginosas.

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

La relatividad general es la base de la teoría gravitacional moderna. Explica el movimiento preciso de las estrellas, los planetas y los 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 cuanto más masivo es, más poderoso es el arrastre.

Un tipo de objeto para el que esto es muy relevante se llama enana blanca. Estos son los núcleos sobrantes de las estrellas muertas que una 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 rápido, girando cada minuto o dos, en lugar de cada 24 horas como lo hace la Tierra.

El arrastre 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, la naturaleza es amable con los astrónomos y tiene su propia forma de dejarnos observarlos, a través de estrellas en órbita llamadas púlsares.

Hace veinte años, el radiotelescopio Parkes de CSIRO descubrió un par estelar único que consiste en una enana blanca (aproximadamente del tamaño de la Tierra pero aproximadamente 300,000 veces más pesado) y un radio pulsar (solo del tamaño de una ciudad pero 400,000 veces más pesado).

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

Esto significa que, 150 veces por minuto, un «haz luminoso» de ondas de radio emitidas por este púlsar pasa por nuestro punto estratégico aquí en la Tierra. Podemos usar esto para mapear el camino del púlsar mientras orbita a la enana blanca, calculando cuándo llega su pulso 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 de Einstein.

El mapeo de la evolución de las órbitas no es para los impacientes, pero nuestras mediciones son ridículamente precisas. Aunque el PSR J1141-6545 está a varios cientos de billones de kilómetros de distancia (un billón 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 está fijo, sino que gira 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. A medida que este material cae hacia la enana blanca, se forma un disco, y en el transcurso de decenas de miles de años acelera la enana blanca, hasta que gira cada pocos minutos.

Impresión artística de una enana blanca que se hace girar por la transferencia de materia de su compañero. 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. Imagen: The Conversation.

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 se arrastra. 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 en los últimos años hemos visto una revolución extrema en la astrofísica.

 

Fuente: The Conversation

Artículo: «Lense–Thirring frame dragging induced by a fast-rotating white dwarf in a binary pulsar system«. Science.

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