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Una enana blanca que al rotar arrastra el espaciotiempo: una nueva confirmación de la relatividad general

La enésima confirmación experimental de la teoría de la relatividad general de Einstein se ha producido gracias a un sistema binario de estrellas, en concreto uno formado por una estrella de neutrones y una enana blanca. La predicción confirmada es la de que un objeto que rota sobre su propio eje arrastra consigo al espaciotiempo, o efecto Lense-Thirring, con unos efectos determinados en los parámetros orbitales de otro objeto con el que forme un sistema binario. Esta es la primera vez que encuentra confirmación gracias a unas estrellas. Lo han logrado Matthew Bailes, del Centro ARC de Excelencia del Descubrimiento de Ondas Gravitatorias (OzGrav) y sus colaboradores, como explican en un artículo en Science.

Uno de los fundamentos de la teoría es que las tres dimensiones espaciales y la temporal forman una unidad, un espaciotiempo cuadridimensional. Y ese espaciotiempo es deformado por las masas, conforme a su magnitud. Cabe imaginar este efecto con el símil de una bola de billar puesta sobre una sábana o colchón. Si se pone después otra masa sobre la sábana, una pelota de golf por ejemplo, se acercará a la primera al caer hacia la deformación que esta ha creado. El símil sintetiza figurativamente el modelo de la gravedad formulado por la teoria einsteiniana. Pero de ella se sigue también que un objeto no solo afectará al espaciotiempo con su masa, sino también con su rotación  alrededor de su propio eje, y tanto más cuanto mayores sean su masa y la velocidad a la que efectúe esa rotación.

El fenómeno, denominado efecto Lense-Thirring, se demostró experimentalmente a principios del siglo XXI en el entorno de la Tierra gracias a los satélites LAGEOS; se pudo medir la precesión de sus órbitas debida al efecto, si bien con una incertidumbre experimental aún no satisfactoria, ya que la masa de nuestro planeta no es suficientemente grande.

El arrastre, sin embargo, es más manifiesto con objetos cósmicos de masa y velocidad de rotación mucho mayores que las de la Tierra. Un grupo de investigadores, dirigido por Adam Ingram, de la Universidad de Amsterdam, observó el efecto (no sin ciertos aspectos oscuros) en el disco de acreción de un agujero negro, denominado H1743-322, gracias a los telescopios espaciales de rayos X XMM-Newton, de la Agencia Espacial Europea, y NuSTAR, de la NASA.

Por otra parte, hace casi veinte años, el grupo de Bailes empezó a observar con el radiotelescopio Parkes de 64 metros un sistema binario, un par de estrellas que giran la una alrededor de la otra, que por sus características podía ofrecer efectos relativistas interesantes. Uno de los objetos es una enana blanca, de las dimensiones de la Tierra pero con una masa unas 300.000 veces mayor (parecida a la del Sol); el otro es una estrella de neutrones, un púlsar denominado PSR J1141-6545, con una masa unas 400.000 veces mayor que la de la Tierra pero con un diámetro de solo 20 kilómetros. La enana blanca gira sobre sí misma en no más de unos tres minutos. La combinación de esta velocidad y de su masa hace que su efecto Lense-Thirring sea cien millones de veces más intenso que el de la Tierra; supone por esa razón una oportunidad única para estudiar los efectos de la relatividad general. Pero para ello es fundamental el papel del otro objeto de la pareja.

La estrella de neutrones, que gira mucho más deprisa aún que la enana blanca, emite un haz de radiación electromagnética que barre el espacio como un faro y se manifiesta en la Tierra, pues, de forma pulsante (de ahí que a los objetos así se los llame púlsares). La medición de la llegada de esos pulsos a la Tierra permite determinar la órbita de la estrella de neutrones, modificada por el efecto Lense-Thirring creado por la enana blanca: midiendo con extrema precisión la frecuencia de las pulsaciones, los astrofísicos pueden averiguar los parámetros orbitales del púlsar y calcular la precesión de su plano orbital. Tras haber descontado todos los posibles factores que pueden influir en la precesión, Bailes y sus colaboradores midieron la contribución relativista, y resultó que concordaba con las predicciones de la teoría de Einstein. El valor de esta investigación, como subrayan los autores, es que se trata de la primera confirmación del efecto Lense-Thirring obtenida con un sistema estelar.

Le Scienze / la redacción

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Le Scienze.

Referencia: «Lense-Thirring frame dragging induced by a fast-rotating white dwarf in a binary pulsar system», de V. Venkatraman Krishnan et al., en Science,  vol. 367, núm. 6477, págs. 577-580; se puede leer la prepublicación en arXiv: 2001.11405 [astro-ph.HE].