La colaboración GRAVITY, un equipo de investigadores en varios institutos de renombre, incluido el Instituto Max Planck, Observatorio LESIA de París y Observatorio Europeo Austral, ha probado recientemente parte del principio de equivalencia de Einstein, a saber, la invariancia de posición local (LPI), cerca del agujero negro supermasivo del centro galáctico. Su estudio, publicado en Physics Review Letters (PRL), investigó la dependencia de diferentes transiciones atómicas en el potencial gravitacional con el fin de dar un límite superior a las violaciones de LPI.

"La relatividad general y, en general, todas las teorías métricas de la gravedad se basan en la equivalencia de la masa inercial y la masa gravitacional, formalizado en el principio de equivalencia de Einstein, "Maryam Habibi, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "La relatividad general es la mejor teoría de la gravedad que tenemos, sin embargo, todavía hay muchos acertijos sin respuesta que están estrechamente relacionados con nuestra comprensión incompleta de la gravedad ".

El principio de equivalencia, una parte crucial de la teoría de la relatividad general de Einstein, establece que la fuerza gravitacional experimentada en cualquier pequeña región del espacio-tiempo es la misma que la pseudo-fuerza experimentada por un observador en un marco de referencia acelerado. Probar este principio es de vital importancia, ya que podría conducir a observaciones interesantes y ampliar nuestra comprensión actual de la gravedad.

"El principio de equivalencia de Einstein consta de tres principios fundamentales, "Habibi explicó." Uno de ellos, llamada invariancia de posición local (LPI), establece que las mediciones no gravitacionales deben ser independientes de la ubicación en el espacio-tiempo (caracterizado por el potencial gravitacional) donde se llevan a cabo. La parte principal de nuestro estudio se centra en probar el principio LPI ".

Las observaciones pasadas sugieren que la mayoría, si no todos, las galaxias masivas contienen un agujero negro supermasivo, que normalmente se encuentra en el centro de una galaxia. La masa del agujero negro supermasivo del centro galáctico de la Vía Láctea es 4 millones de veces mayor que la del sol. Genera así el campo gravitacional más fuerte de la galaxia, lo que lo convierte en el lugar ideal para buscar fenómenos inexplorados y probar los principios de la relatividad general.

Estrella S2, una de las estrellas más brillantes de la región más interna de la Vía Láctea, tiene su encuentro más cercano con el agujero negro supermasivo del centro galáctico a una distancia de 16,3 horas luz. En otras palabras, la estrella tarda 16 años en hacer una órbita completa alrededor del agujero negro, que en escalas de tiempo astronómicas es extremadamente corto. S2 entra y sale del campo gravitacional del agujero negro, de ahí que el equipo de colaboración de GRAVITY decidió utilizarlo para probar parte del principio de equivalencia de Einstein.

"Como estaba previsto, y mostramos en un estudio anterior publicado en junio de 2018, durante el acercamiento más cercano de la estrella S2 al agujero negro observamos el 'desplazamiento al rojo gravitacional' a la luz de la estrella, "Habibi explicó." El desplazamiento al rojo gravitacional se produce porque la intensa gravedad en la superficie de la estrella ralentiza la vibración de las ondas de luz, estirándolos y haciendo que la estrella parezca más roja de lo normal desde la Tierra ".

Para probar el principio LPI de Einstein, los investigadores utilizaron dos tipos diferentes de átomos en la atmósfera estelar de S2:átomos de hidrógeno y helio. El principio LPI establece que el corrimiento al rojo gravitacional visto en una estrella que entra y sale de un campo gravitacional fuerte solo depende del potencial gravitacional y no depende de otros parámetros, como la estructura interna del átomo.

"Medimos el cambio de frecuencia de la luz de estos átomos que se mueven a través de un potencial variable, "Dijo Habibi." La vibración de las ondas de luz se midió ajustando la velocidad de la línea de visión del espectro del S2 usando las líneas espectrales de hidrógeno y helio por separado. Al medir la diferencia en el cambio de frecuencia para ambos átomos, pudimos dar un límite superior en la violación de LPI durante el pasaje pericentro. Si hubo una violación obvia de LPI, deberíamos haber medido vibraciones muy diferentes de ondas de luz, de las líneas de helio e hidrógeno ".

El principio de equivalencia y la relatividad general en general son meras teorías, por lo tanto, deben ser probados para determinar su validez. Hasta aquí, la mayoría de los investigadores han realizado pruebas en la Tierra y en el sistema solar.

Sin embargo, estas teorías también deben probarse en escenarios extremos, ya que esto puede determinar si todavía se mantienen y conducen a pruebas más concluyentes. Tales pruebas podrían descartar algunos de los principios que dan forma a nuestra comprensión actual de la gravedad o identificar violaciones de la teoría de la relatividad general.

"Probar el principio de equivalencia en todos los regímenes diferentes es importante ya que varias teorías alternativas de la gravitación predicen una violación del mismo en condiciones extremas, "Felix Widmann, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Para mí, el hallazgo más significativo de nuestro estudio es que pudimos probar el principio de equivalencia en este caso más extremo:cerca de un agujero negro supermasivo que está a más de 20 mil años luz de distancia. Los límites que ponemos a una violación no son muy restrictivo todavía, pero están en un régimen gravitacional que no se había probado antes ".

Habibi, Widmann y sus colegas fueron de los primeros en probar parte del principio de equivalencia cerca del agujero negro supermasivo central de la Vía Láctea. Su trabajo proporciona información valiosa sobre la validez de la relatividad general, particularmente el principio LPI.

"El año pasado fue excepcionalmente exitoso para la colaboración GRAVITY, ", Dijo Widmann." Por primera vez, Observamos efectos relativistas en la órbita de una estrella alrededor de un agujero negro supermasivo y usamos esta estrella para probar el Principio de Equivalencia. También observamos material orbitando muy cerca del agujero negro, otra observación que hubiera sido imposible sin GRAVEDAD. Sin embargo, esto es más un comienzo que un final para nosotros ".

Con la temporada óptima para la observación del centro galáctico a la vuelta de la esquina, Los investigadores de la colaboración GRAVITY continuarán apuntando sus telescopios a S2 y al agujero negro supermasivo del centro galáctico. Según Widmann, el equipo pronto podría detectar efectos relativistas más sutiles en la órbita de S2, lo que les permitirá probar la teoría de la relatividad general una vez más. En sus futuras observaciones, Los investigadores también esperan ver más actividad de llamaradas alrededor del agujero negro, ya que esto permitiría estudios adicionales destinados a ampliar su comprensión del agujero negro del centro galáctico de la Vía Láctea y los agujeros negros en general.

"Con futuros telescopios como el Extremely Large Telescope, que tiene un espejo de 39 m de diámetro, podremos realizar experimentos similares y buscar efectos 1 millón de veces más pequeños de posibles violaciones de LPI, comparado con lo que es posible hoy, ", Añadió Widmann." Esto nos permitirá probar la otra parte del principio de equivalencia de Einstein, llamado principio de equivalencia débil, que establece que un objeto en caída libre gravitacional es físicamente equivalente a un objeto que se acelera con la misma cantidad de fuerza en ausencia de gravedad. El centro galáctico es un observatorio único y con GRAVITY y futuros telescopios queremos aprender tanto como sea posible ".

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