Físicos de la colaboración GRAVITY han demostrado parte del Principio de Equivalencia de Einstein: la invariancia de posición local (LPI) cerca del agujero negro masivo en el centro galáctico.
Su estudio, publicado en 'Physics Review Letters (PRL)', investigó la dependencia de diferentes transiciones atómicas en el potencial gravitatorio para dar un límite superior a las violaciones de la LPI.
"La relatividad general y en general todas las teorías métricas de la gravedad se basan en la equivalencia de masa inercial y masa gravitacional, formalizada en el principio de equivalencia de Einstein", dijo a Phys.org Maryam Habibi, una de las investigadoras que llevó a cabo el estudio. "La relatividad general es la mejor teoría de la gravedad que tenemos, sin embargo, todavía hay muchos rompecabezas 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. La prueba de este principio es de importancia clave, ya que podría llevar a observaciones interesantes y ampliar nuestra comprensión actual de la gravedad.
"El principio de equivalencia de Einstein consta de tres principios principales", explicó Habibi. "Uno de ellos, llamado invariancia de posición local (LPI), establece que las mediciones no gravitacionales deben ser independientes de la ubicación en el espacio-tiempo (caracterizada por el potencial gravitacional) donde se llevan a cabo. La parte principal de nuestro estudio se centra en las pruebas del principio LPI".
Las observaciones anteriores sugieren que la mayoría, si no todas, 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. De este modo, genera el campo gravitatorio 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.
La estrella S2, una de las estrellas más brillantes en 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 se mueve dentro y fuera del campo gravitatorio del agujero negro, por lo que el equipo de colaboración de GRAVITY decidió usarlo para probar parte del principio de equivalencia de Einstein.
"Como se predijo, y lo 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' en la luz de la estrella", explicó Habibi. "El corrimiento al rojo gravitacional ocurre porque la gravedad intensa en la superficie de la estrella disminuye la vibración de las ondas de luz, estirándolas y haciendo que la estrella aparezca más roja de lo normal en la Tierra".
Para probar el principio LPI de Einstein, los investigadores utilizaron dos tipos diferentes de átomos en la atmósfera estelar de S2: los átomos de hidrógeno y helio. El principio LPI establece que el desplazamiento al rojo gravitatorio visto en una estrella que está volando dentro y fuera de un campo gravitatorio fuerte solo depende del potencial gravitacional y no se basa en 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 al Violación de LPI durante el paso del pericentro. Si hubiera una violación obvia de LPI, deberíamos haber medido vibraciones muy diferentes de las ondas de luz, desde las líneas de helio e hidrógeno".
El principio de equivalencia y la relatividad general en general son meras teorías, por lo que deben ser probadas para determinar su validez. Hasta ahora, 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 aún se mantienen y dar lugar a pruebas más concluyentes. Tales pruebas podrían descartar algunos de los principios que conforman 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", dijo a Phys.org Felix Widmann, otro investigador involucrado en el estudio.
"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 20.000 años luz de distancia. Los límites que imponemos a una violación no son muy restrictivos aún, pero se encuentran en un régimen gravitatorio que no había sido 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, en particular el principio LPI.
La Colaboración GRAVITY es un equipo de investigadores en varios institutos de renombre, incluido el Instituto Max Planck, el Observatorio LESIA de París y el ESO (Observatorio Europeo del Sur).
