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INTRODUCCIÓN ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA

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Las verificaciones de la relatividad general

 

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Una supergigante
Una supernova
Nucleosíntesis estelar
Una estrella de neutrones
Un púlsar
La radiación de los púlsares

Las fuentes X y gamma
Las fuentes de rayos X
El enigma de las explosiones de rayos gamma
El origen de las explosiones de rayos gamma

La relatividad restringida
El fin del espacio absoluto
La relatividad restringida
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La contracción del espacio y el espacio-tiempo

La relatividad general
El principio de equivalencia
La relatividad general y la curvatura del espacio-tiempo
Las verificaciones de la relatividad general
La onda gravitacional
La lente gravitacional

Los agujeros negros
Un agujero negro
El espacio-tiempo alrededor de un agujero negro
Un agujero negro histórico: Cygnus X-1

 

 

 

 

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Imagen que ofrece una fotografía del sol en rayos x. Crédito: NASA Goddard Laboratory for Atmospheres

 

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Visión artística de un agujero negro con disco de acreción. Crédito: Jörn Wilms (Tübingen) et al.; ESA

Las verificaciones de la relatividad general

Dada la transformación total de la física que implicaba la relatividad general, obviamente era necesario probar que la teoría era correcta, que no se trataba solamente de una magnífica construcción intelectual, sino de una descripción del mundo real. Las primeras confirmaciones de observación llegaron muy rápidamente, y hasta nuestros días ninguna prueba experimental consiguió tomar la teoría en falso.

La precesión del perihelio de Mercurio

La primera confirmación fue aportada por el mismo Einstein, cuando aplicó la relatividad general al movimiento de los cuerpos del sistema solar. Hemos visto que la órbita de la Tierra era una elipse. Si nuestro planeta era el único en girar alrededor del Sol, esta elipse sería fija. Pero los otros planetas tienen una influencia gravitacional y perturban el movimiento de la Tierra. El resultado es que la elipse no es fija, sino gira muy lentamente sobre sí misma. Este efecto, llamado precesión del perihelio, concierne a todos los planetas y se explica muy bien utilizando las leyes de Newton.

Las observaciones astronómicas mostraron que la elipse de cada planeta del sistema solar gira bien a la velocidad predicha por la mecánica clásica, salvo Mercurio. La elipse del planeta más próxima del Sol gira un poco más rápida de lo que debería. El avance es muy bajo, alrededor de 43 segundos de arco por siglo, pero, sin embargo, medible a largo plazo.

Es a este problema que Einstein aplicó su nueva teoría. En efecto, la deformación del espacio-tiempo alrededor del Sol siendo máxima al nivel de Mercurio, es muy posible un desacuerdo con la física de Newton. Einstein mostró en 1915 que aplicando la relatividad general al movimiento de este planeta, lograba calcular un valor de la precesión del perihelio igual al que se medía. Era una primera confirmación brillante de la validez de su teoría.

 

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La precesión del perihelio de Mercurio

 

Más recientemente, un fenómeno similar ha sido observado en una estrella binaria, uno de cuyos miembros es un púlsar. Esta situación es ideal, porque la observación de radio del púlsar permite determinar los movimientos en el seno del par. La precesión del perihelio es mucho más fuerte en este caso, del orden de cuatro grados al año, lo que no ha impedido ser perfectamente verificadas las predicciones de la relatividad general.

La trayectoria de los rayos luminosos

La segunda confirmación de la relatividad general llegó en 1919, cuando observaciones confirmaron que la trayectoria de los rayos luminosos se curva en presencia de masa. El Sol deforma el espacio-tiempo alrededor de él, lo que implica una ligera desviación de los rayos luminosos que pasan en su proximidad. Eso significa que si usted observa estrellas en un momento en el que parecen próximas del disco solar, su posición aparente debe ser ligeramente modificada. Por ejemplo, la imagen de las estrellas más próximas del disco solar debe desplazarse 1,75 segundos de arco.

Para verificar esta predicción, había que organizar una observación en dos tiempos. La primera operación consistía en tomar una fotografía de las estrellas próximas al disco solar durante un eclipse de Sol, cuando la luz de nuestra estrella es encubierta por la Luna. Luego, había que tomar un segundo cliché de la misma región del cielo, cuando el Sol estaba suficientemente alejado y los rayos luminosos no eran ya perturbados. La comparación de ambas imágenes debía mostrar directamente si la posición de las estrellas había cambiado.

El Inglés Arthur Eddington y otros astrónomos hicieron esta experiencia en 1919. Comprobaron que la posición de las estrellas efectivamente había cambiado entre ambos clichés y que el desplazamiento era el que la relatividad general predecía. Este segundo éxito confirmó de veras el alcance de la relatividad general e hizo rápidamente de Einstein una celebridad mundial.

Ralentización del tiempo

El tercer tipo de predicción concierne a la ralentización del tiempo en la vecindad de un cuerpo masivo. Una vez más, la teoría fue verificada por la experiencia. Se colocó un reloj atómico a bordo de un avión que volaba a 10 kilómetros de altitud. A la vuelta, tenía algunas mil millonésimas partes de segundo de avance sobre un reloj idéntico que se había quedado en el suelo (atención que no hay que confundir con el efecto de dilatación del tiempo que es debido a un movimiento relativo, no a la gravedad). De hecho, el tiempo había pasado un poco más lento en la superficie de la Tierra que a una altitud de 10 kilómetros.

El efecto Einstein

Otras experiencias evidencian un fenómeno asociado al precedente: el efecto Einstein. Imaginemos que una radiación de longitud de onda determinado se emite en la superficie de un cuerpo masivo. Para un observador a lo lejos, que ve el tiempo pasar más lentamente en la superficie del astro, el período de la luz y su longitud de onda parecen ligeramente más largos. Así, por ejemplo, la luz amarilla se desplazaría ligeramente hacia el rojo.

Esto ha sido verificado para la radiación procedente de varias enanas blancas, el desfase relativo, siendo en este caso del orden de algunas cien-milésimas. El efecto Einstein también ha sido medido sobre la Tierra. El desfase de longitud de onda entre la base y la parte alta de un edificio de 20 metros sólo es de una millonésima de mil millonésima parte, pero fue posible ponerlo en evidencia y verificar el acuerdo con la relatividad general.

 

 

ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA - ANTONIO HERAS - SON FERRER (CALVIÁ)

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