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   Edición 74 / Septiembre del 2000

Investigación




Estrellas de Neutrones
Refuerzan la Teoría
de la Relatividad




Por Dra. Alejandra Sofía
Facultad Ciencias Astronómicas y Geofísicas,
Universidad Nacional de La Plata - UNLP
asofia@fcaglp.unlp.edu.ar

Argentina


Tres astrónomos han descubierto un nuevo fenómeno que permitiría testear por primera vez, aspectos extremos de la teoría de la relatividad de Einstein.


Se trata de oscilaciones en la emisión de rayos X provenientes de tres estrellas de neutrones, que podrían utilizarse para estudiar deformaciones en la estructura del espacio-tiempo, tal como fuera predicho por Albert Einstein en su teoría general de la relatividad.

El doctor Mariano Méndez, investigador del Observatorio Astronómico de la Universidad Nacional de La Plata, junto con los doctores Peter Jonker y Michiel van der Klis del Instituto de Astronomía de la Universidad de Amsterdam, Holanda, analizaron observaciones obtenidas a lo largo de 4 años por un satélite de NASA, el "Explorador Temporal de Rayos X Rossi" (Rossi X-ray Timing Explorer). El trabajo de estos tres astrónomos acaba de ser publicado en un artículo científico en la prestigiosa revista internacional "Astrophysical Journal Letters".

Dichos astrónomos iniciaron la investigación a partir de 1996. "El descubrimiento de estas bandas laterales fue en cierto modo casual -señaló Méndez- si bien sospechábamos que podrían existir. Cuando las encontramos en realidad estábamos buscando otra cosa; esto es algo muy común en ciencia. Al principio pensamos que se trataba de un error del instrumento, o de un problema en nuestras técnicas de análisis ya que el escepticismo es parte de todo científico. Pero luego de un chequeo muy minucioso nos convencimos de que allí estaban y que eran reales. Cuatro años de recolección de datos finalmente nos daban la razón".


Compactas, Atrayentes y Devoradoras


Así podríamos describir a las estrellas de neutrones estudiadas por este equipo internacional de investigadores. Las estrellas de neutrones tienen una masa comparable a la del Sol concentrada en una esfera de apenas 15 kilómetros de radio. Esta característica las convierte en objetos muy densos y dueños de una fuerza gravitatoria extrema. Como ilustración, una persona que pesa 80 kilogramos sobre la superficie de la Tierra, pesaría unos 6 billones de toneladas sobre la superficie de una estrella de neutrones.

Como es sabido, los neutrones son partículas minúsculas que, junto con los protones, forman el núcleo de un átomo. Las estrellas de neutrones serían la ceniza remanente de una explosión violenta, denominada explosión de supernova, que marca la muerte de una estrella mucho más masiva que el Sol.

Las estrellas de neutrones que han estudiado estos tres astrónomos forman parte de sistemas binarios, o sea, dos estrellas girando una alrededor de la otra. La más chica y compacta (estrella de neutrones) "deforma" a la otra, que es una estrella gaseosa similar a nuestro Sol. En determinadas circunstancias la estrella gaseosa comienza a perder materia, la cual cae hacia la estrella compacta, recorriendo órbitas espiraladas que forman un disco (llamado disco de acreción) hasta que finalmente ese gas es "devorado" por la estrella compacta.


Bandas de Radio: Transmiten Algo pero no es Rock


Jonker dijo que "durante los últimos 4 años, astrónomos de todo el mundo han estado usando el Explorador Rossi para estudiar oscilaciones muy rápidas en el brillo de estrellas de neutrones que emiten rayos X. Estas oscilaciones son evidencia de una fuerte curvatura del espacio-tiempo".

Consultado al respecto Méndez agregó que "ahora hemos descubierto una modulación de estas oscilaciones, la que aparece en nuestros datos en forma de bandas laterales alrededor de la oscilación principal, tal como ocurre en la emisión de un programa de radio". En un programa radial, la música y las palabras del locutor son usadas para modular la amplitud de la onda que transmite la estación de radio. Este mecanismo se denomina amplitud modulada (AM). "En el caso de estas tres estrellas de neutrones (oficialmente conocidas por sus nombres técnicos 4U 1608-52, 4U 1728-34, y 4U 1636-53) la modulación de amplitud es producida por un proceso natural (a diferencia de lo que ocurre con un programa de radio en el que la modulación se realiza en forma artificial). "Esta modulación transmite información acerca de las masas y velocidades con que están rotando estas tres estrellas de neutrones" señaló Méndez.


Einstein Siempre Vigente


"Esta información nos permitirá testear por primera vez la teoría de Einstein en circunstancias en las que nunca antes había podido ser comprobada", dijo el Dr. van der Klis. "Mediciones anteriores sólo han permitido verificar la teoría de la relatividad en casos en los que el campo gravitacional es débil, por ejemplo en nuestro propio sistema solar.

El Explorador Rossi es el primer instrumento que nos permite observar como se mueve la materia bajo la influencia de un campo gravitacional muy intenso en las cercanías de una estrella de neutrones. Los rayos X transmiten el mensaje".

En la teoría general de la relatividad, propuesta por Einstein en 1915, la fuerza de gravedad puede ser igualmente descripta como una deformación de la estructura del espacio-tiempo. Cuanto más intensa es la fuerza, mayor será esta deformación. "Es como poner una bolita de acero sobre una superficie de goma. La superficie se hunde por el peso de la bolita, y a medida que el peso aumenta, la superficie se deforma cada vez más." Explicó Méndez. "Si comparamos al Sol y los planetas en el sistema solar como bolitas livianas que casi no afectan a la superficie de goma, una estrella de neutrones -al igual que un agujero negro- podría compararse a una bolita muy pesada que deforma mucho el espacio-tiempo a su alrededor."

Jean Swank, astrónoma especialista en rayos X que trabaja en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, y máxima responsable científica de la misión del Explorador Rossi, dijo que "en los últimos años se ha producido una gran cantidad de trabajos teóricos que trataron de explicar las observaciones realizadas por el "Rossi" desde fines de 1995. Creo que estas nuevas señales pueden ser la llave que abra la puerta para saber cuál de todas aquellas explicaciones es la correcta".

Algunos teóricos han sugerido que las bandas laterales recientemente descubiertas podrían explicarse a través de un mecanismo llamado "precesión de Lense-Thirring", propuesto en 1918 por los físicos austriacos Joseph Lense y Hans Thirring. Éste es un fenómeno que sólo puede ser explicado en términos de la teoría de la relatividad, y que se produce cuando una estrella compacta gira muy rápidamente y arrastra consigo a la estructura del espacio-tiempo que la rodea. Los doctores Fred Lamb y Draza Markovic de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en los Estados Unidos, han publicado un trabajo mostrando que la precesión de Lense-Thirring de un disco de acreción puede persistir en el tiempo, y podría ser observada.

Lamb explica "lo que aquí ocurre se puede comparar al caso de una bolita rodando dentro de un gran embudo que está recubierto en su interior por una tela. La estrella de neutrones sería un objeto muy pesado que rota en el centro de este embudo. A medida que éste gira, arrastra y estira la tela que recubre al embudo. La bolita comienza a rodar hacia el centro del embudo, pero pronto se desvía hacia los costados porque la tela se está moviendo y la arrastra."

De la misma manera, condensaciones de gas son arrastradas alrededor de la estrella de neutrones que está rotando. En estas condiciones, la emisión de rayos X producida cuando el gas choca contra la estrella, oscila con una frecuencia igual al doble de la frecuencia con la cual la estructura del espacio-tiempo está siendo arrastrada alrededor de la estrella. Estas variaciones producirán bandas laterales alrededor de la oscilación primaria, similares a las que han sido observadas.

Jonker señala que "estudios más detallados de estas bandas laterales nos darán una nueva y muy valiosa información acerca de los efectos de un campo gravitatorio intenso sobre la estructura del espacio-tiempo, así como sobre las propiedades de la materia a densidades extremas, dos de las preguntas más importantes de la astrofísica moderna".


Invisible a los Ojos


Somos prácticamente ciegos al maravilloso espectáculo que nos rodea. Existe un universo de colores, pero nuestros ojos sólo ven una parte del espectro electromagnético. Dicho espectro incluye desde las más altas hasta las más bajas energías: rayos gamma, rayos X, radiación ultravioleta, óptico, infrarrojo, microondas y ondas de radio. El hombre sólo es capaz de ver una muy pequeña ventana del espectro, y para estudiar el Universo en su totalidad debe recurrir a instrumentos especiales que le permitan detectar el resto de la radiación emitida en otras energías.

La atmósfera, por un lado nos protege de los rayos X, pero a la vez nos impide ver los objetos emisores de esa energía; en la década del '60 se colocaban instrumentos en globos que alcanzaban las capas más altas de la atmósfera, donde los rayos X no son absorbidos. Actualmente ese tipo de instrumentos se lanza al espacio mediante satélites.


Rossi en el Espacio


El Explorador Rossi (nombrado así en honor al astrónomo italiano Bruno Rossi, pionero de la astronomía de rayos X) investiga la física de fuentes cósmicas de rayos X a través de mediciones muy precisas de su variabilidad en escalas de tiempo que van desde milésimas de segundo hasta años. El Explorador Rossi es operado por el Centro de Vuelos Espaciales Goddard, en Greenbelt, Maryland. Lanzado en diciembre de 1995, el satélite fue desarrollado conjuntamente por Goddard, el Instituto de Tecnología de Massachussetts, y la Universidad de California en San Diego. Observaciones con el Explorador Rossi son propuestas por la comunidad internacional de astrónomos especialistas en rayos X.

"Este reciente descubrimiento demuestra nuevamente las capacidades únicas del Explorador Rossi," dijo Lamb. "El Explorador Rossi transporta los detectores más grandes de rayos X que ha sido llevado al espacio hasta el momento, y fue específicamente diseñado para medir el movimiento de gas muy caliente en las cercanías de objetos compactos. Con cada nuevo descubrimiento del Explorador Rossi nos acercamos más y más a poder descifrar las propiedades del espacio-tiempo cerca de estos sorprendentes objetos."

Sobre el futuro de sus investigaciones, Méndez dijo que "en estos momentos NASA está evaluando las propuestas presentadas para operar el Explorador Rossi durante el próximo año (2001). Este nuevo hallazgo nos da la esperanza y confianza de que nuestras propuestas serán aceptadas y nuestro trabajo podrá continuar". @


Para mayor información:

Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas (UNLP)
www.fcaglp.unlp.edu.ar

Una descripción del Explorador Rossi se puede encontrar en:
heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/xte/learning_center/

La versión oficial del artículo publicado aparecerá en:
www.journals.uchicago.edu/ApJ/rapid.html

Animaciones realizadas por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign mostrando resultados de cálculos del efecto Lense-Thirring están disponibles en:
www.physics.uiuc.edu/Research/CTA/news/sidebands/index.html

Tapes beta de alta calidad sobre éstas y otras animaciones sobre distorsiones del espacio-tiempo pueden ser solicitados a NASA.
http://nasa.gov








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