La universalidad de la caída libre en relatividad general en un sistema estelar triple

La teoría de la gravitación de Einstein (la relatividad general) se basa en el principio de que todos los objetos se aceleran por igual en un campo gravitacional homogéneo. Se publica en Nature un test de esta universalidad de la caída libre basado en un sistema estelar triple, el púlsar PSR J0337+1715. Está formado por una estrella de neutrones con 1.4 masas solares, una enana blanca con 0.2 masas solares (que la orbita cada 1.6 días) y otra enana blanca con 0.4 masas solares (que las orbita cada 327 días). La clave del test es que las órbitas son casi circulares y coplanares. Tras más de 800 observaciones durante seis años no se ha medido ninguna deformación de la órbita de la pareja de estrellas más interior, lo que permite confirmar la universalidad de la caída libre con 2.6 partes por millón.

No parece un resultado muy relevante, ya que en los tests del principio de equivalencia en la Tierra se alcanzan precisiones de una parte por billón (el experimento del grupo de Eöt-Wash en Seattle, Washington, logró una precisión de una parte por diez billones); más aún, el récord lo logró el satélite MICROSCOPE que en 2017 alcanzó una precisión de una parte por mil billones (un nivel de precisión de 10−15). Lo relevante del nuevo test es que además de la aceleración debida a la materia también se ha estudiado la debida a la energía gravitacional. En este caso los tests en el Sistema Solar solo alcanzan una precisión de una parte por diez mil. Como el nuevo test implica un estrella de neutrones con una enorme energía gravitacional (del orden del 20% de su masa), se logra una precisión de una parte en cien mil (un factor de diez que justifica la publicación en Nature).

Este nuevo test del principio de equivalencia para cuerpos con un campo gravitacional fuerte se ha publicado en Anne M. Archibald, Nina V. Gusinskaia, …, Ingrid H. Stairs, “Universality of free fall from the orbital motion of a pulsar in a stellar triple system,” Nature 559: 73–76 (04 Jul 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0265-1; más información en Clifford M. Will, “General relativity verified by a triple-star system,” Nature 559: 40-41 (04 Jul 2018), doi: 10.1038/d41586-018-05549-4.

Los otros tests citados son T. A. Wagner, S. Schlamminger, …, E. G. Adelberger, “Torsion-balance tests of the weak equivalence principle,” Classical and Quantum Gravity 29: 184002 (2012), doi: 10.1088/0264-9381/29/18/184002, y Pierre Touboul et al. “MICROSCOPE Mission: First Results of a Space Test of the Equivalence Principle,” Phys. Rev. Lett. 119: 231101 (2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.119.231101.

La mayoría de las teorías de la gravitación alternativas a la teoría de Einstein introducen algún tipo de incumplimiento del principio de equivalencia. Por ello todos los tests de este principio sirven para sesgar el espacio de teorías gravitacionales, o al menos para limitar los valores de sus posibles parámetros. Por supuesto, para analizar un sistema estelar triple hay que interpretar las observaciones usando un modelo teórico preciso de sus interacciones a tres cuerpos. Gracias a que sus órbitas son coplanares se ha podido obtener un ajuste muy preciso mediante un modelo postnewtoniano.

Las teorías alternativas a la gravitación de Einstein suelen coincidir con ella hasta la primera corrección postnewtoniana, apareciendo las desviaciones en la siguiente corrección. Para las teorías de tipo Brans–Dicke theories, que añaden un campo escalar, aparecen dos parámetros llamados α0 y β0. Esta figura muestra los nuevos límites de exclusión a dichos parámetros gracias a las nuevas observaciones. Mejoran los resultados previos obtenidos gracias a LLR (Lunar Laser Ranging), Messenger (NASA) y Cassini (NASA/ESA); futuros análisis basados en datos de la misión Gaia (ESA) mejorarán de forma sustancial estos límites.

En resumen, un nuevo test del principio de equivalencia que nos muestra que la teoría de Einstein sigue robusta (como ya dejaron claros los resultados de LIGO-Virgo sobre ondas gravitacionales). Aún así, hay que seguir explorando posibles desviaciones, que acabarán siendo las primeras señales que nos lleven más allá de Einstein.


1 Comentario

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HéctorHéctor

Buena noticia para la relatividad general!

El principio de equivalencia débil lo cumplen practicamente todas las teorías métricas de la gravitación, es decir, casi todas las competidoras de la relatividad general. Es el principio de equivalencia fuerte lo que diferencia a la relatividad general de otras teorías, y dicho principio es lo que se fortalece en este nuevo test.

Saludos.

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