¿Qué hace Albert Einstein, el sistema de posicionamiento global (GPS), y un par de estrellas 200, 000 billones de millas de la Tierra tienen en común?

La respuesta es un efecto de la Teoría General de la Relatividad de Einstein llamado "corrimiento al rojo gravitacional, "donde la luz cambia a colores más rojos debido a la gravedad. Usando el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, Los astrónomos han descubierto el fenómeno en dos estrellas que orbitan entre sí en nuestra galaxia alrededor de 29, 000 años luz (200, 000 billones de millas) de la Tierra. Si bien estas estrellas están muy distantes, los desplazamientos al rojo gravitacionales tienen impactos tangibles en la vida moderna, ya que los científicos e ingenieros deben tenerlos en cuenta para permitir posiciones precisas para GPS.

Si bien los científicos han encontrado evidencia incontrovertible de corrimientos al rojo gravitacionales en nuestro sistema solar, Ha sido un desafío observarlos en objetos más distantes en el espacio. Los nuevos resultados de Chandra proporcionan evidencia convincente de los efectos de desplazamiento al rojo gravitacionales en juego en un nuevo entorno cósmico.

El intrigante sistema conocido como 4U 1916-053 contiene dos estrellas en una órbita notablemente cercana. Uno es el núcleo de una estrella a la que se le han quitado sus capas externas, dejando una estrella mucho más densa que el Sol. La otra es una estrella de neutrones, un objeto aún más denso creado cuando una estrella masiva colapsa en una explosión de supernova. La estrella de neutrones (gris) se muestra en la impresión de este artista en el centro de un disco de gas caliente alejado de su compañera (estrella blanca a la izquierda).

Estas dos estrellas compactas son solo alrededor de 215, 000 millas de distancia, aproximadamente la distancia entre la Tierra y la Luna. Mientras la Luna orbita nuestro planeta una vez al mes, la densa estrella compañera en 4U 1916-053 gira alrededor de la estrella de neutrones y completa una órbita completa en solo 50 minutos.

En el nuevo trabajo sobre 4U 1916-053, el equipo analizó los espectros de rayos X, es decir, las cantidades de rayos X en diferentes longitudes de onda, de Chandra. Encontraron la firma característica de la absorción de la luz de rayos X por el hierro y el silicio en los espectros. En tres observaciones separadas con Chandra, los datos muestran una fuerte caída en la cantidad detectada de rayos X cerca de las longitudes de onda donde se espera que los átomos de hierro o silicio absorban los rayos X. En el gráfico principal se incluye uno de los espectros que muestran la absorción por el hierro, las caídas de la izquierda y la derecha. Un gráfico adicional muestra un espectro con absorción por silicio. En ambos espectros, los datos se muestran en gris y un modelo de computadora en rojo.

Sin embargo, las longitudes de onda de estas firmas características de hierro y silicio se cambiaron a más largas, o longitudes de onda más rojas en comparación con los valores de laboratorio que se encuentran aquí en la Tierra (que se muestran con el azul, línea vertical para cada firma de absorción). Los investigadores encontraron que el cambio de las características de absorción era el mismo en cada una de las tres observaciones de Chandra, y que era demasiado grande para explicarlo moviéndonos lejos de nosotros. En cambio, concluyeron que fue causado por un corrimiento al rojo gravitacional.

¿Cómo se conecta esto con la relatividad general y el GPS? Como predice la teoría de Einstein, Los relojes sometidos a la fuerza de la gravedad funcionan a un ritmo más lento que los relojes vistos desde una región distante que experimenta una gravedad más débil. Esto significa que los relojes de la Tierra observados desde satélites en órbita funcionan a un ritmo más lento. Para tener la alta precisión necesaria para GPS, este efecto debe tenerse en cuenta o habrá pequeñas diferencias en el tiempo que se acumularían rápidamente, calcular posiciones inexactas.

Todo tipo de luz incluyendo radiografías, también se ven afectados por la gravedad. Una analogía es la de una persona que sube corriendo una escalera mecánica que está bajando. Mientras hacen esto, la persona pierde más energía que si la escalera mecánica estuviera parada o subiendo. La fuerza de la gravedad tiene un efecto similar sobre la luz, donde una pérdida de energía da una frecuencia más baja. Debido a que la luz en el vacío siempre viaja a la misma velocidad, la pérdida de energía y frecuencia más baja significa que la luz, incluyendo las firmas de hierro y silicio, cambiar a longitudes de onda más largas.

Esta es la primera evidencia sólida de que las firmas de absorción se desplazan a longitudes de onda más largas por la gravedad en un par de estrellas que tienen una estrella de neutrones o un agujero negro. Previamente se ha observado una fuerte evidencia de corrimientos al rojo gravitacionales en la absorción en la superficie de las enanas blancas, con cambios de longitud de onda típicamente solo alrededor del 15% de eso para 4U 1916-053.

Los científicos dicen que es probable que una atmósfera gaseosa que cubra el disco cerca de la estrella de neutrones (que se muestra en azul) haya absorbido los rayos X, produciendo estos resultados. (Esta atmósfera no está relacionada con la protuberancia de gas rojo en la parte exterior del disco que bloquea la luz de la parte interior del disco una vez por órbita). El tamaño del cambio en los espectros permitió al equipo calcular qué tan lejos esta atmósfera está lejos de la estrella de neutrones, usando la relatividad general y asumiendo una masa estándar para la estrella de neutrones. Descubrieron que la atmósfera se encuentra 1, 500 millas de la estrella de neutrones, aproximadamente la mitad de la distancia de Los Ángeles a Nueva York y equivalente a solo el 0,7% de la distancia de la estrella de neutrones a la compañera. Es probable que se extienda a varios cientos de millas de la estrella de neutrones.

En dos de los tres espectros también hay evidencia de firmas de absorción que se han desplazado a longitudes de onda aún más rojas, correspondiente a una distancia de sólo el 0,04% de la distancia entre la estrella de neutrones y la compañera. Sin embargo, estas firmas se detectan con menos confianza que las más alejadas de la estrella de neutrones.

Los científicos han recibido más tiempo de observación de Chandra durante el próximo año para estudiar este sistema con más detalle.

Un artículo que describe estos resultados se publicó el 10 de agosto de Edición de 2020 de The Diario astrofísico .