La teoría de Einstein es 500 veces más difícil de superar por la sombra del agujero negro

Ciencia tecnología e innovación El Mundo Al Instante 03 de octubre de 2020
Agujero-negro

Por primera vez, y usando las históricas imágenes de M87*, los investigadores ponen a prueba la relatividad general en el borde de un agujero negro supermasivo

La teoría de la relatividad general de Einstein, según la cual la materia es capaz de deformar el espacio-tiempo, lleva más de un siglo resistiendo a todo tipo de test y escrutinios por parte de los científicos. Ahora, y por primera vez, un equipo de investigadores del Event Horizon Telescope, (EHT, Telescopio del Horizonte de Eventos) ha vuelto a desafiar la teoría observando cómo se comporta en uno de los entornos más extremos y desafiantes del Universo, el borde de un agujero negro supermasivo. Y, para su sorpresa, la teoría de Einstein no solo volvió a aguantar, sino que salió extraordinariamente reforzada.

Para su investigación, los físicos usaron la primera e histórica imagen conseguida el año pasado por el propio EHT de la sombra del agujero negro supermasivo M87*, en el centro de la galaxia Messier 87, a 55 millones de años luz de la Tierra. El trabajo se acaba de publicar en Physical Review Letters.

Sin embargo, y a pesar de sus éxitos constantes, la robusta teoría de la gravedad de Einstein sigue siendo irreconciliable con la mecánica cuántica, la otra gran e igualmente exitosa teoría de nuestro tiempo, que explica al detalle el mundo subatómico. Y eso es un grave problema. Los científicos, en efecto, buscan una gran teoría, hoy por hoy inexistente, capaz de abarcar tanto la gravedad como la mecánica cuántica. Por eso es importante llevar hasta el límite la relatividad general.

¿Qué nos dice la sombra de M87*?

Si es cierto que una imagen vale más que mil palabras, ¿qué puede decirnos entonces la imagen de M87*? Basándose en un exhaustivo análisis de la sombra, los investigadores consiguieron llevar a cabo un test único de la teoría de Einstein, profundizando en las inusuales propiedades de los agujeros negros y descartando alternativas que hasta ahora parecían correctas. La investigación fue dirigida por Dimitros Psaltis, Feryal Özel y Pierre Christian, de la Universidad de Arizona, y Lia Medeiros, del Instituto de Estudios Avanzados (IAS).

«Esperamos que una teoría completa de la gravedad sea diferente de la relatividad general -explica Psaltis-, pero hay muchas formas de modificarla. Descubrimos que cualquiera que sea la teoría correcta, no puede ser significativamente distinta de la relatividad general cuando se trata de agujeros negros. Lo que sí hicimos fue reducir mucho el espacio para posibles modificaciones».

Curvando el espacio-tiempo

La enorme gravedad de un agujero negro es capaz de curvar el espacio-tiempo, actúa como una lupa y hace que la sombra del agujero negro parezca más grande. Al medir esa distorsión visual, los investigadores hallaron que el tamaño de la sombra de M87* corrobora punto por punto las predicciones de la relatividad general. Una prueba de gravedad en el borde mismo de un agujero negro es algo nuevo para la Física, y el resultado ha servido para corroborar, una vez más, que la teoría de Einstein permanece intacta incluso en las condiciones más extremas.

La sombre de un agujero negro es muy diferente de las sombras que podemos ver en nuestra vida cotidiana. Un objeto físico, en efecto, proyecta una sombra al evitar que la luz pase a través de él, pero un agujero negro crea el efecto de una sombra al desviar la luz hacia sí mismo. Si bien la luz no puede escapar del interior de un agujero negro, sí que es posible, si tiene la trayectoria adecuada, que consiga escapar de la región que rodea el horizonte de sucesos, el límite externo del agujero negro. El resultado es una turbia «tierra de nadie» más allá del punto sin retorno, algo que a un observador externo le parece una sombra.

La relatividad general vuelve a ganar

Hasta ahora, la relatividad general ha sido puesta a prueba en una amplia variedad de escenarios cósmicos. Durante el eclipse solar de 1919, por ejemplo, se observó la primera evidencia de relatividad general basada en el desplazamiento de la luz de las estrellas viajando a lo largo de la curvatura del espacio-tiempo causada por la gravedad del Sol.

Más recientemente, se han realizado pruebas para sondear la gravedad fuera del Sistema Solar, incluso a escala cosmológica. Uno de los ejemplos más recientes fue la detección de ondas gravitacionales en 2017, cuya existencia estaba predicha por la teoría. Las ondas gravitacionales se propagan a través del tejido del espacio-tiempo como las ondas de agua en un estanque cuando lanzamos una piedra.

Un parámetro inexplorado

El nuevo trabajo de los investigadores del EHT, sin embargo, se centra en una serie de parámetros previamente inexplorados en los diferentes estudios sobre agujeros negros. Y además de proporcionar una prueba totalmente nueva para todas las formulaciones alternativas de la gravedad, también conecta lo hallado en la imagen del agujero negro con otros experimentos gravitacionales.

El agujero negro estudiado por los físicos del EHT es casi 7.000 millones de veces más masivo que el Sol. En claro contraste, los detectores de ondas gravitacionales estudian colisiones de agujeros negros de masa estelar que van desde cinco a algunas decenas de masas solares. Esas perspectivas tan diversas resultan esenciales para la comprensión de la verdadera naturaleza de los agujeros negros.

La forma casi circular de la sombra del agujero negro, también puede confirmar la teoría de que agujeros negros que tengan la misma masa, giro y carga eléctrica son indistinguibles, igual que un electrón no se puede distinguir de otro electrón. Si se detectaran irregularidades geométricas, podría significar que los agujeros negros tienen propiedades adicionales, más allá de la masa, el giro y la carga eléctrica.

Nuevos desafíos a Einstein

Tras la prueba llevada a cabo por los investigadores, pues, la teoría de Einstein no solo se ha confirmado otra vez, sino que se ha vuelto cientos de veces más difícil de superar. En palabras de Feryal Özel, «siempre decimos que la relatividad general pasa todas las pruebas con gran éxito… ojalá tuviera un céntimo por cada vez que escuche eso. Pero es cierto, cuando haces las pruebas, no ves que los resultados se desvíen de los predichos por la relatividad general. Lo que nosotros decimos es que, si bien todo eso es correcto, por primera vez tenemos un indicador diferente con el que podemos hacer pruebas que son 500 veces mejores, y ese indicador es el tamaño de la sombra de un agujero negro».

Ahora, el equipo del EHT espera a tener las imágenes de más calidad que serán capturadas tras añadirse nuevos telescopios a la red actual. El EHT, en efecto, es un telescopio «virtual» que tiene casi el tamaño de la Tierra y que está formado por distintos telescopios sincronizados en varios continentes. «Cuando consigamos una imagen del agujero negro central de nuestra propia galaxia —concluye Ozel— podremos limitar aún más las desviaciones de la relatividad general».

¿Seguirá Einstein teniendo razón cuando lo hagan?

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