Crédito de imagen: NRAO
Teorizado por Einstein durante casi un siglo, los físicos han encontrado evidencia para apoyar la teoría de que la fuerza de la gravedad se mueve a la velocidad de la luz. Las variaciones en la forma en que se doblaba la imagen del cuásar explicaban esta velocidad de gravedad.
Aprovechando una rara alineación cósmica, los científicos han realizado la primera medición de la velocidad a la que se propaga la fuerza de gravedad, dando un valor numérico a una de las últimas constantes fundamentales de la física no medidas.
"Newton pensó que la fuerza de la gravedad era instantánea. Einstein asumió que se movía a la velocidad de la luz, pero hasta ahora, nadie lo había medido ”, dijo Sergei Kopeikin, físico de la Universidad de Missouri-Columbia.
"Hemos determinado que la velocidad de propagación de la gravedad es igual a la velocidad de la luz con una precisión del 20 por ciento", dijo Ed Fomalont, astrónomo del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) en Charlottesville, VA. Los científicos presentaron sus hallazgos en la reunión de la Sociedad Astronómica Americana en Seattle, WA.
La medición histórica es importante para los físicos que trabajan en teorías de campo unificadas que intentan combinar la física de partículas con la teoría general de la relatividad y la teoría electromagnética de Einstein.
"Nuestra medición pone algunos límites fuertes a las teorías que proponen dimensiones adicionales, como la teoría de supercuerdas y las teorías de brane", dijo Kopeikin. "Conocer la velocidad de la gravedad puede proporcionar una prueba importante de la existencia y compacidad de estas dimensiones adicionales", agregó.
La teoría de las supercuerdas propone que las partículas fundamentales de la naturaleza no son puntuales, sino bucles o cuerdas increíblemente pequeñas, cuyas propiedades están determinadas por diferentes modos de vibración. Las branas (una palabra derivada de las membranas) son superficies multidimensionales, y algunas teorías físicas actuales proponen branas espacio-temporales incrustadas en cinco dimensiones.
Los científicos utilizaron el Very Long Baseline Array (VLBA) de la National Science Foundation, un sistema de radiotelescopio de todo el continente, junto con el radiotelescopio de 100 metros en Effelsberg, Alemania, para hacer una observación extremadamente precisa cuando el planeta Júpiter pasó cerca de frente a un brillante cuásar el 8 de septiembre de 2002.
La observación registró una ligera "flexión" de las ondas de radio provenientes del quásar de fondo por el efecto gravitacional de Júpiter. La flexión resultó en un pequeño cambio en la posición aparente del cuásar en el cielo.
"Debido a que Júpiter se mueve alrededor del Sol, la cantidad precisa de flexión depende ligeramente de la velocidad a la que la gravedad se propaga desde Júpiter", dijo Kopeikin.
Júpiter, el planeta más grande del Sistema Solar, solo pasa lo suficientemente cerca del camino de las ondas de radio desde un quásar adecuadamente brillante aproximadamente una vez por década para que se realice tal medición, dijeron los científicos.
La alineación celestial de una vez en una década fue la última de una cadena de eventos que hizo posible medir la velocidad de la gravedad. Los otros incluyeron una reunión casual de los dos científicos en 1996, un avance en la física teórica y el desarrollo de técnicas especializadas que permitieron realizar mediciones extremadamente precisas.
"Nadie había tratado de medir la velocidad de la gravedad antes porque la mayoría de los físicos habían asumido que la única forma de hacerlo era detectar ondas gravitacionales", recordó Kopeikin. Sin embargo, en 1999, Kopeikin extendió la teoría de Einstein para incluir los efectos gravitacionales de un cuerpo en movimiento sobre la luz y las ondas de radio. Los efectos dependían de la velocidad de la gravedad. Se dio cuenta de que si Júpiter se movía casi frente a una estrella o fuente de radio, podría probar su teoría.
Kopeikin estudió la órbita pronosticada de Júpiter para los próximos 30 años y descubrió que el planeta gigante pasaría lo suficientemente cerca del quásar J0842 + 1835 en 2002. Sin embargo, rápidamente se dio cuenta de que el efecto en la posición aparente del cuásar en el cielo era atribuible la velocidad de la gravedad sería tan pequeña que la única técnica de observación capaz de medirla era la interferometría de línea de base muy larga (VLBI), la técnica incorporada en el VLBA. Kopeikin luego contactó a Fomalont, un experto líder en VLBI y un observador experimentado de VLBA.
"Inmediatamente me di cuenta de la importancia de un experimento que podría hacer la primera medición de una constante fundamental de la naturaleza", dijo Fomalont. "Decidí que teníamos que darle nuestra mejor oportunidad", agregó.
Para obtener el nivel de precisión requerido, los dos científicos agregaron el telescopio Effelsberg a su observación. Cuanto mayor sea la separación entre dos antenas de radiotelescopio, mayor será el poder de resolución, o la capacidad de ver detalles finos, alcanzables. El VLBA incluye antenas en Hawái, los Estados Unidos continentales y St. Croix en el Caribe. Una antena al otro lado del Atlántico agregó aún más poder de resolución.
"Tuvimos que hacer una medición con aproximadamente tres veces más precisión que nadie, pero sabíamos, en principio, que se podía hacer", dijo Fomalont. Los científicos probaron y refinaron sus técnicas en "carreras en seco", luego esperaron a que Júpiter hiciera su pase frente al quásar.
La espera incluyó considerables morderse las uñas. La falla del equipo, el mal tiempo o una tormenta electromagnética en Júpiter podrían haber saboteado la observación. Sin embargo, la suerte se mantuvo y las observaciones de los científicos a una frecuencia de radio de 8 GigaHertz produjeron suficientes datos buenos para realizar su medición. Alcanzaron una precisión igual al ancho de un cabello humano visto desde 250 millas de distancia.
“Nuestro objetivo principal era descartar una velocidad infinita para la gravedad, y lo hicimos aún mejor. Ahora sabemos que la velocidad de la gravedad es probablemente igual a la velocidad de la luz, y podemos excluir con confianza cualquier velocidad para la gravedad que sea más del doble que la de la luz ”, dijo Fomalont.
La mayoría de los científicos, dijo Kopeikin, se sentirán aliviados de que la velocidad de la gravedad sea consistente con la velocidad de la luz. “Creo que este experimento arroja nueva luz sobre los fundamentos de la relatividad general y representa el primero de muchos más estudios y observaciones de gravitación que actualmente son posibles debido a la enorme precisión de VLBI. Tenemos mucho más que aprender sobre esta fuerza cósmica intrigante y su relación con las otras fuerzas en la naturaleza ”, dijo Kopeikin.
Esta no es la primera vez que Júpiter ha desempeñado un papel en la producción de una medición de una constante física fundamental. En 1675, Olaf Roemer, un astrónomo danés que trabajaba en el Observatorio de París, hizo la primera determinación razonablemente precisa de la velocidad de la luz al observar los eclipses de una de las lunas de Júpiter.
Fuente original: Comunicado de prensa de NRAO
