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Astronomía y Astrofísica

La danza de una enana blanca y un púlsar confirma una predicción de Einstein

La rápida rotación de una lejana enana blanca arrastra el espacio-tiempo de su entorno, modificando la órbita de un púlsar que gira a su alrededor. Este descubrimiento, realizado con datos recogidos durante 20 años por dos radiotelescopios de Australia, ha servido a los científicos para verificar un efecto predicho por la teoría de la relatividad de Einstein.

El sistema binario enana blanca-púlsar PSR J1141-6545 fue descubierto en 1999 por el radiotelescopio australiano Parkes de la Organización de Investigación Científica e Industrial del Commonwealth (CSIRO). El púlsar orbita alrededor de su enana blanca cada 4,8 horas. La rápida rotación de la enana blanca arrastra el espacio-tiempo, haciendo que toda la órbita del sistema cambie su orientación. / Mark Myers/ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), Australia

Según la relatividad general de Einstein, presentada hace más de un siglo, la rotación de un objeto masivo (como una estrella o un planeta) 'arrastra' el espacio-tiempo de su alrededor. Esto, a su vez, afecta al movimiento orbital que se establece con otro objeto que gire a su alrededor.

La rotación de una enana blanca arrastra el espacio-tiempo de su entorno,  modificando el movimiento orbital que se establece con un púlsar que gira a su alrededor

Este fenómeno se ha comprobado en la Tierra con experimentos de satélites, pero ahora un equipo internacional de astrofísicos lo ha confirmado en un escenario donde los campos gravitacionales son mucho más intensos: un sistema binario formado por el  radiopúlsar PSR J1141-6545 (una estrella de neutrones que, como un faro, emite radiación periódica) y la enana blanca (un remanente estelar) en torno a la que gira cada 4,8 horas. El sistema se localiza en la constelación Musca (la Mosca) del hemisferio Sur.

El estudio se publica esta semana Science y se ha realizado con los datos recogidos a lo largo de 20 años por los radiotelescopios australianos Parkes y UTMOST, que han ido registrando los rápidos destellos del púlsar mientras se movía alrededor de la enana. Así se ha podido observar el efecto predicho por la relatividad general de Einstein, llamado ‘precesión de Lense-Thirring’.

“Como el púlsar rota de forma muy regular, al medir pequeñas desviaciones en los tiempos en que llegan esos pulsos al telescopio, se pueden calcular características básicas sobre el sistema (como la masa o el período de la órbita), pero también efectos que son mucho más sutiles, como la dilatación del tiempo, la pérdida de energía por emisión de ondas gravitacionales y otros efectos relativistas”, explica a Sinc uno de los autores, Pablo A. Rosado.

“Además, gracias a la precisión de estas observaciones, también se ha podido inferir información sobre cómo se pudo haber formado este sistema binario”, destaca Rosado, que trabajó en este proyecto cuando estuvo de postdoc en la Universidad Tecnológica de Swinburne (Australia) y luego abandonó el mundo académico al regresar a España. 

A diferencia de otras parejas púlsar-enana blanca, los datos y los modelos indican que, en este caso, la enana blanca compañera de PSR J1141-6545 se formó antes que el púlsar. Este nació hace 1,5 millones de años tras la explosión de una supernova, pero previamente su estrella progenitora traspasó masa a la enana blanca (un poco más pequeña que la Tierra pero con una masa similar a la del Sol). 

"La órbita de este púlsar es muy especial: viaja a una velocidad máxima de casi un millón de km/h, ya que la separación máxima entre las estrellas es apenas mayor que el tamaño de nuestro Sol'', comenta el primer autor, Vivek Venkataraman Krishnan, que también realizó el doctorado en la universidad australiana y ahora investiga en el Instituto Max Planck de Radioastronomía (Alemania).

"Einstein nos ha dado una nueva herramienta para aprender sobre el universo", destaca uno de los autores que ha medido los cambios en la inclinación orbital de este púlsar binario

“Con la ayuda de relojes atómicos, pudimos realizar mediciones altamente precisas de los tiempos de llegada de las señales del púlsar –añade–, y rastrearlo con una precisión promedio de 30 km por medición durante el periodo de 20 años. Esto permitió determinar el tamaño y la orientación de la órbita de forma precisa".

¿Qué es la precesión de Lense-Thirring?

Otro de los autores del instituto alemán, Paulo Freire, explica a Sinc qué es la 'precesión de Lense-Thirring' (llamada así por los físicos Josef Lense y Hans Thirringque la plantearon en 1918 con el apoyo de Einstein): “Imagina que hay un satélite orbitando un cuerpo masivo que ‘arrastra’ el espacio-tiempo de su alrededor. La precesión de Lense-Thirring  es una precesión (cambio en la orientación del eje de rotación de un cuerpo giratorio) causada por ese arrastre del espacio-tiempo en la órbita de ese satélite”.

El arrastre del espacio-tiempo (en inglés, frame dragging) alrededor de la Tierra fue registrado con el satélite Gravity Probe B de la NASA con giroscopios súperprecisos. Luego, la precesión de Lense-Thirring fue detectada mediante láseres con los satélites LAGEOSLAGEOS-II y LARES".

Lo que han medido ahora los investigadores con PSR J1141-6545 ha sido un pequeño cambio en la inclinación orbital (en relación con la línea de visión de la Tierra) de su sistema binario, cuyo valor es de tan solo unos 0,00047 grados por año.

"Los cálculos (realizados asumiendo la relatividad general) implican que una buena parte de este cambio del plano orbital del sistema debe ser la precesión de Lense-Thirring", apunta Freire. "De hecho, es la primera vez que se confirma esto en un púlsar binario, y nos ofrece una nueva e importante aplicación: podemos decir que Einstein nos dio una nueva herramienta para aprender sobre el universo".

“En este caso, la detección del efecto significa que la enana blanca compañera de PSR J1141-6545 está girando mucho más rápido de lo normal para una estrella este tipo: una rotación cada entre uno o dos minutos (unos 100 segundos), en lugar de varias horas; y esto –concluye– es importante para confirmar teorías que se plantearon hace dos décadas sobre la formación de este sistema extraño y único".

Referencia bibliográfica:

V. Venkatraman Krishnan et al. “Lense–Thirring frame dragging induced by a fast-rotating white dwarf in a binary pulsar system”. Science, enero de 2020.

Fuente:
SINC
Derechos: Creative Commons.
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