La figura muestra un cúmulo de estrellas como los analizados en este trabajo. La luz emitida pierde energía al escapar del campo gravitatorio de cada estrella. Esta perdida de energía se manifiesta como un enrojecimiento que es mayor para estrellas en la secuencia principal, con radios relativamente pequeños (derecha), que para estrellas en fase de gigantes, con radios mayores (izquierda). Crédito: Gabriel Pérez Díaz (IAC). Imagen de fondo: ESA/Hubble and NASA. Lupas basadas en una ilustración de freepic.es.
El estudio muestra el potencial de las grandes observaciones astronómicas para poner a prueba las leyes físicas y constatar su carácter universal. Los resultados se publican en la revista The Astrophysical Journal.
La Teoría General de la Relatividad es uno de los pilares fundamentales de la física moderna. Una de las bases que sustentan la teoría de Einstein es el denominado Principio de Equivalencia. Este principio establece que la luz que escapa de una región con una fuerte gravedad pierde energía en su camino, haciendo que su longitud de onda se vuelva más roja. Este fenómeno se conoce como desplazamiento al rojo (o redshift) gravitatorio y su medida es un test fundamental de la gravitación.
Aunque la astrofísica proporciona una amplia variedad de condiciones físicas en las que el desplazamiento al rojo debería ser significativo, hasta hace muy poco la evidencia observacional de este efecto gravitacional se limitaba a la luz emitida por el Sol, las enanas blancas y los cuásares. Ahora, un nuevo trabajo liderado por científicos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de la Universidad de La Laguna (ULL) ha conseguido medir el redshift gravitatorio en varios miles de estrellas de secuencia principal (donde las estrellas pasan el 90% de su vida) y estrellas gigantes, todas ellas localizadas en un centenar de cúmulos abiertos.
El estudio parte de la idea de utilizar observaciones astrofísicas para probar la validez de las leyes físicas, extendiendo las pruebas tanto en el espacio como en el tiempo cósmico, y en situaciones no alcanzables en un laboratorio como en campos gravitatorios varias decenas de veces más intensos que los existentes en la Tierra. “El objetivo de nuestro trabajo ha sido medir el efecto que produce la gravedad de las estrellas en la luz que recibimos y comprobar si los resultados de dichas medidas están de acuerdo con lo que predice la teoría y, en particular, con el Principio de Equivalencia”, explica el investigador del IAC y la ULL Carlos M. Gutiérrez, primer autor del artículo.
Los investigadores han estudiado estrellas que pertenecen a cúmulos estelares abiertos de la Vía Láctea y que, por tanto, comparten el mismo movimiento, y han medido las diferencias en la energía de los fotones recibidos, según el tipo de estrella desde la que son emitidos. “Este efecto aumenta con la masa de la estrella y disminuye con su radio —destaca Gutiérrez—, de manera que los fotones emitidos por estrellas similares al Sol experimentan una pérdida de energía del orden de dos partes en un millón, mientras que para estrellas en fase de gigantes, con radios mucho mayores, este efecto es comparativamente mucho más pequeño”.
Para realizar el estudio, los autores han llevado a cabo un extenso muestreo, tomando como base un catálogo de 7 millones de estrellas proporcionado por la misión Gaia de la ESA, y han seleccionado cerca de 100 cúmulos abiertos y 8.000 estrellas distribuidos por toda la galaxia. Para la investigadora del IAC y la ULL Nataliya Ramos Chernenko, coautora del artículo, “este estudio supone un avance importante, ya que apenas existían estudios previos en estrellas ‘normales’ aparte del Sol”. Y añade: “Además es uno de los primeros estudios basados en estrellas no degeneradas, es decir, que no se encuentran en las etapas finales de su existencia, incluyendo estrellas enanas y gigantes, y en cúmulos abiertos”.
Además de obtener una de las validaciones más amplias de un concepto físico fundamental, el estudio también ha permitido confirmar que las estimaciones de masa y radio de las estrellas basadas en modelos teóricos son correctas. “Probar predicciones de la Relatividad General ayuda a descartar otras teorías de la gravedad que se han propuesto como alternativas para explicar el dominio de materia y energía oscura en el Universo, así como validar sistemas de navegación y de posicionamiento, como el GPS, que no funcionarían si no se tuviera en cuenta la teoría de Einstein”, concluye Gutiérrez.
Artículo: Carlos M. Gutiérrez and Nataliya Ramos-Chernenko: “Detection of Gravitational Redshift in Open Cluster non-degenerate stars”, The Astrophysical Journal, 2022. DOI: 10.3847/1538-4357/ac5a59
Contacto en el IAC:
Carlos M. Gutiérrez, cgc [at] iac.es (cgc[at]iac[dot]es)
Nataliya Ramos Chernenko, nataliya.ramos.chernenko [at] iac.es (nataliya[dot]ramos[dot]chernenko[at]iac[dot]es)
Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la luz siente la influencia de la gravedad al igual que la materia. Una consecuencia de esta teoría, basada en el Principio de Equivalencia , es que la luz que escapa de una región con fuerte gravedad pierde energía en su camino, de forma que su longitud de onda se vuelve más roja. Este fenómeno se conoce como desplazamiento al rojo (o redshift) gravitatorio . La medida de este efecto es un test fundamental de la teoría de la gravitación de Einstein. Hasta ahora el test se había aplicado exclusivamente en regiones del Universo muy
Realizamos un nuevo test del principio de equivalencia de Einstein que, por primera vez, se extiende hasta épocas cosmológicas muy tempranas (hemos estudiado su validez en un 80% de la historia del Universo). El principio de equivalencia de Einstein es esencial para generalizar las leyes físicas en presencia de la gravedad. Nuestro test del principio de equivalencia se basa en uno de las predicciones clásicas de Einstein: el desplazamiento al rojo gravitatorio de los fotones. Este test se ha llevado a la práctica con precisión en nuestro Sistema Solar y en algunas estrellas de nuestra
Un equipo internacional, en el que ha participado el IAC, ha descubierto que las enanas blancas del sistema binario J0651 orbitan cada vez más rápido, tal y como predice la teoría de la relatividad general de Einstein, al perder energía por emitir ondas gravitacionales.
