La primera imagen de un agujero negro volvió a poner a prueba la relatividad general de Einstein

Cuando se publicó la primera imagen de un agujero negro en abril de 2019, marcó una poderosa confirmación de la teoría de la gravedad de Albert Einstein, o relatividad general.

La teoría no solo describe la forma en que la materia deforma el espacio-tiempo, sino que también predice la existencia misma de agujeros negros, incluido el tamaño de la sombra proyectada por un agujero negro en el disco brillante de material que gira alrededor de algunos de los objetos densos. Esa imagen icónica del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87 a unos 55 millones de años luz de distancia, mostró que la sombra coincidía estrechamente con las predicciones de la relatividad general sobre su tamaño (SN: 10/4/19). En otras palabras, Einstein tenía razón, de nuevo.

Ese resultado, informado por Event Horizon Telescope Collaboration, respondió a una pregunta: ¿Es el tamaño del agujero negro de M87 consistente con la relatividad general?

Pero “es muy difícil responder a la pregunta opuesta: ¿cuánto puedo modificar la relatividad general y seguir siendo coherente con la [black hole] ¿medición?” dice el miembro del equipo de EHT Dimitrios Psaltis de la Universidad de Arizona en Tucson. Esa pregunta es clave porque todavía es posible que alguna otra teoría de la gravedad pueda describir el universo, pero disfrazada de relatividad general cerca de un agujero negro.

En un estudio publicado el 1 de octubre en Cartas de revisión física, Psaltis y sus colegas han utilizado la sombra del agujero negro de M87 para dar un paso importante hacia descartar esas teorías alternativas.

Específicamente, los investigadores utilizaron el tamaño del agujero negro para realizar lo que se conoce como una prueba de relatividad general de “segundo orden” orientada a aumentar la confianza en el resultado. Eso “realmente no se puede hacer en el sistema solar” porque el campo gravitacional es demasiado débil, dice Lia Medeiros, miembro del equipo de EHT, del Instituto de Estudios Avanzados en Princeton, Nueva Jersey.

Hasta ahora todo bien para la relatividad, descubrieron los investigadores cuando realizaron esta prueba de segundo orden.

Los resultados están a la par con los de experimentos de ondas gravitacionales como el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser avanzado, que ha ondas detectadas en el espacio-tiempo de la fusión de agujeros negros más pequeños que los de M87 (SN: 16/9/19). Pero el nuevo estudio es interesante porque “es el primer intento de restringir una [second-order] efecto a través de la observación de un agujero negro ”, dice el físico Emanuele Berti de la Universidad Johns Hopkins, que no participó en el nuevo trabajo.

En general, los físicos piensan en la relatividad general como un conjunto de correcciones o complementos a la teoría de la gravedad de Isaac Newton. La relatividad general predice cuáles deberían ser esos complementos. Si las mediciones de cómo funciona la gravedad en el universo se desvían de esas predicciones, entonces los físicos saben que la relatividad general no es la historia completa. Cuantos más complementos o factores se agreguen a una prueba, más confianza habrá en el resultado.

En campos gravitacionales débiles, como dentro del sistema solar, los físicos pueden probar si las adiciones de “primer orden” a las ecuaciones de Newton son consistentes con la relatividad general o no. Estas adiciones están relacionadas con cosas como cómo la luz y la masa viajan en un espacio-tiempo deformado, o cómo la gravedad hace que el tiempo fluya más lentamente.

Esos aspectos de la gravedad se han probado con la forma en que las estrellas ‘ la luz se desvía durante un eclipse solar por ejemplo, y la forma en que la luz láser enviada a las naves espaciales que se alejan del sol tarda más de lo esperado en regresar a la Tierra (SN: 29/5/19). La relatividad general ha pasado cada vez.

Pero se necesita un campo gravitacional fuerte, como el que rodea al agujero negro de M87, para impulsar las pruebas a un nivel superior.

El nuevo resultado es un poco decepcionante para los físicos que esperan encontrar grietas en la teoría de Einstein. Encontrar una desviación de la relatividad general podría señalar el camino hacia una nueva física. O podría ayudar a unir la relatividad general, la física de lo muy grande y mecánica cuántica, la teoría principal que describe la física de lo muy pequeño, como las partículas subatómicas y los átomos (SN: 30/3/20). El hecho de que la relatividad general todavía se niegue a ceder es “preocupante para aquellos de nosotros que somos lo suficientemente mayores como para esperar obtener una respuesta en nuestra vida”, dice Psaltis.

Pero hay alguna esperanza de que la relatividad general aún pueda fallar en torno a los agujeros negros. El nuevo estudio reduce el tamaño del cuadro de posibles formas de descomposición de la teoría, “pero no lo hemos hecho infinitesimal”, dice Medeiros. El estudio es “una prueba de concepto para demostrar que el EHT podría hacer esto … Pero en realidad es solo el primer paso de muchos”.

Las observaciones futuras del EHT harán pruebas aún más precisas de la relatividad general, dice, especialmente con imágenes aún por publicar de Sgr A *, el agujero negro en el centro de la Vía Láctea. Con mediciones mucho más precisas de la masa de Sgr A * que cualquier otro agujero negro supermasivo, esa imagen puede hacer que la posible caja alrededor de la teoría sea aún más pequeña, o hacerla explotar.

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