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La Relatividad General y la Creación Cósmica Pasan 7 Pruebas

Las nuevas y sofisticadas mediciones de las ondas de radio de dos estrellas pesadas han proporcionado evidencia importante para comprender cómo comenzó el universo. Un equipo internacional de astrónomos ha logrado obtener el conjunto de pruebas más definitivo hasta la fecha de la teoría de la relatividad general (GR por sus siglas en inglés) de Einstein y, por extensión, la doctrina bíblica de la creación cósmica. En la medida en que la GR describe la teoría de la gravedad y, por lo tanto, las características del tejido del espacio-tiempo del universo, es consistente con un modelo de creación cósmica.

El equipo de 29 investigadores dirigido por Michael Kramer del Instituto Max Planck de Radioastronomía publicó los resultados de su estudio de 16 años sobre los cambios orbitales en el sistema púlsar PSR J0737-3039A/B.1 Este sistema es el único caso conocido de dos púlsares activos orbitando entre sí. Un púlsar es una estrella de neutrones que produce emisiones de radio pulsantes regulares como resultado de poseer un fuerte campo magnético. Los púlsares giran extremadamente rápido y emiten poderosos rayos de luz que «pulsan» en nuestra línea de vista, de manera similar a la forma en que vemos los rayos de luz de un faro.

Los dos púlsares (un sistema de dos estrellas se conoce como una binaria) en el sistema PSR J0737-3039, A y B, tienen velocidades de rotación de 22,70 y 2,77 milisegundos, respectivamente. Por lo tanto, los radioastrónomos observan 44 y 361 pulsos de radiación cada segundo desde A y B, respectivamente.

El período orbital actual de B sobre A es de solo 2,454 horas. Este período orbital es el más corto conocido hasta ahora para púlsares con un compañero binario. Es un factor de tres veces más corto que el sistema púlsar-estrella de neutrones PSR B1913+16, que entregó la mejor prueba anterior de la teoría de la relatividad general de Einstein, una medición por la cual los físicos Joseph Taylor y Russell Hulse recibieron el premio Nobel de 1993 en Física.

El Púlsar Doble
Las dos estrellas de neutrones del sistema PSR J0737-3039 tienen masas de 1,338 y 1,249 veces la masa del Sol. Los diámetros de estas estrellas son unas 116.000 veces más pequeños que los del Sol. ¡Sus densidades superan los 2 mil millones de toneladas por cucharadita!

La excentricidad orbital de este sistema binario es 0,088 (en comparación, la excentricidad orbital de la Tierra = 0,0167). La estabilidad rotacional (frecuencia de pulsación) de las dos estrellas de neutrones es comparable a los mejores relojes atómicos. Estudios previos a largo plazo de las diminutas desviaciones de la estabilidad rotacional de otros púlsares revelan que las estrellas de neutrones poseen una corteza sólida de neutrones y un interior líquido de neutrones.

Las teorías gravitacionales se prueban mejor cuando una o dos estrellas de neutrones están en un sistema binario. Los mejores candidatos son donde dos estrellas de neutrones que se orbitan entre sí y donde ambas estrellas de neutrones son púlsares. Mejor aún es cuando los dos púlsares tienen un período orbital corto, una excentricidad orbital distinta de cero y planos orbitales estrechamente alineados con nuestra línea de vista. Es notable, y algunos dirían que es un regalo de Dios, que el único púlsar binario conocido manifieste todas estas características óptimas para probar las teorías de la gravedad.

Siete Pruebas
Para medir los pulsos del sistema PSR J0737-3039, el equipo de Kramer utilizó seis de los radiotelescopios más grandes (el telescopio Robert C. Byrd Green Bank, el radiotelescopio Effelsberg de 100 m, el observatorio Jodrell Bank, el radioobservatorio Nançay, el Westerbork Synthesis Radio Telescope y el radiotelescopio Parkes) más el Very Long Baseline Array (VLBA). El VLBA consta de diez radiotelescopios de 25 metros que se extienden desde Hawái hasta las Islas Vírgenes y que están conectados entre sí como un interferómetro. El VLBA fue crucial para determinar una medición de distancia directa precisa al sistema PSR J0737-3039, sin el cual las pruebas de precisión de la GR no hubieran sido posibles. Las mediciones de los siete sistemas de telescopios proporcionaron siete pruebas diferentes.

El equipo de Kramer fue paciente. Continuaron observando los púlsares PSR J0737-3039 mes tras mes, año tras año, sin publicar ningún resultado. Incluso cuando las colaboraciones de LIGO y Virgo publicaron sus detecciones directas de las ondas de gravedad predichas por la GR a partir de las fusiones de agujeros negros y estrellas de neutrones,2 el equipo de Kramer se mantuvo firme. Esperaron hasta que acumularon suficientes mediciones para determinar la energía transportada por las ondas gravitacionales con una precisión 1000 veces mayor que cualquier cosa lograda por los telescopios de ondas gravitacionales LIGO y Virgo.

Antecedentes de las Pruebas
La GR ha superado todas las pruebas experimentales y de observación que los astrónomos y físicos han ideado hasta la fecha. Describí estas pruebas enThe Creator and the Cosmos, 4th edition.3 Las pruebas no dejaron dudas de que la GR es la respuesta final para describir la gravedad. Sin embargo, hay un régimen (fenómeno natural) donde existía la posibilidad de que una teoría alternativa de la gravedad pudiera contribuir sustancialmente. Ese régimen son los campos gravitatorios extremadamente fuertes que existen cerca de las estrellas de neutrones y los agujeros negros. El campo gravitacional en la superficie de una estrella de neutrones típica es aproximadamente 200 mil millones de veces mayor que en la superficie de la Tierra. Por lo tanto, ¡un hombre de 91 kilogramos en la Tierra pesaría 20 mil millones de toneladas en una estrella de neutrones!

Qué Lograron las Pruebas
La paciencia del equipo de Kramer dio sus frutos. Sus observaciones produjeron las pruebas más amplias y precisas de la GR para regímenes de campo gravitatorio fuerte. Al observar las reducciones en las masas de las estrellas de neutrones, el tamaño de su órbita y las pequeñas variaciones en el tiempo de sus pulsos, Kramer y sus colegas lograron siete pruebas distintas de la GR.

Dos de las siete pruebas nunca se habían realizado. Por ejemplo, el equipo de Kramer mostró cómo los fotones de una de las estrellas de neutrones se ralentizaban y su trayectoria direccional se doblaba a medida que pasaban por el intenso campo gravitatorio de la otra estrella de neutrones. Los efectos que observaron se ajustan a lo que predijo la GR. Otra prueba inicial fue la demostración de la forma en que la gravedad distorsionaba la forma de la órbita de las estrellas de neutrones, nuevamente, tal como predijo la GR.

Los resultados de las siete pruebas expresados como observaciones comparadas con las predicciones de la GR son los siguientes:4

Prueba de la GRComparación con Predicción de la GR Donde la GR = 1.0
Forma de retardo de Shapiro1.00009 ± 0.00018
Rango de retardo de Shapiro1.0016 ± 0.0034
dilatación del tiempo1.00012 ± 0.00025
avance del periastro1.000015 ± 0.000026
emisión de ondas gravitacionales 0.999963 ± 0.000063
deformación orbital1.3 ± 0.13
precesión de giro0.94 ± 0.13

El retraso de Shapiro [o efecto Shapiro] lleva el nombre de Irwin Shapiro, quien realizó las primeras pruebas de alta precisión de la GR en la década de 1970.5 Estábamos en el staff de investigación de Caltech al mismo tiempo, y disfruté de varias conversaciones con él sobre las pruebas de la GR y sus implicaciones.

Los resultados de estas siete pruebas provienen de 16,2 años de observación del sistema PSR J0737-3039. Los resultados inevitablemente mejorarán con más tiempo de observación. (Los errores de medición se reducen por la raíz cuadrada del tiempo de observación. Por ejemplo, cuatro años de mediciones en comparación con solo un año de mediciones reduce el error de medición en un factor de dos). Se esperan mejoras dramáticas en solo 10 a 20 años. Dentro de una década, las mediciones mejoradas de la deformación orbital de las precesiones de giro de los púlsares arrojarán los valores de los diámetros de las estrellas de neutrones.

Implicaciones Físicas y Filosóficas
Los valores de los diámetros de las estrellas de neutrones permitirán a los astrónomos comprender el comportamiento de los densamente empaquetados neutrones en su interior. Este conocimiento producirá mejores refinamientos y entendimiento de los modelos de creación de partículas.

Los resultados publicados por el equipo ya han arrojado nuevos conocimientos sobre las propiedades del medio interestelar entre PSR J0737-3039 y la Tierra, y las observaciones futuras producirán más información. Las observaciones futuras también prometen ofrecer modelos más completos y detallados para la formación de sistemas de púlsares dobles y la probabilidad de descubrir uno o más de estos sistemas.

El resultado más emocionante de los resultados de los investigadores es que la GR ahora se erige como, con mucho, el principio más exhaustivamente probado y afirmado en física. La GR ahora ha sido afirmada bajo todos los regímenes de campo gravitacional.

Esta afirmación debería ser una buena noticia para todos los teístas y especialmente para los cristianos. Los teoremas del espacio-tiempo han demostrado que el universo tiene un comienzo. Ese comienzo incluye el comienzo del espacio y el tiempo y se basa en las suposiciones de que el universo contiene masa y que la GR describe de manera confiable la dinámica de los cuerpos masivos en el universo. Gracias a la forma exhaustiva en que la GR ha sido probada y demostrada, y que pasa todas las pruebas con gran éxito, podemos estar extremadamente seguros de que el universo tiene un comienzo y que un Agente Causal más allá del espacio y el tiempo creó nuestro universo de materia, energía, espacio y tiempo, tal como lo declaró la Biblia hace miles de años.6

Notas

1. Michael Kramer et al., «Strong-Field Gravity Tests with the Double Pulsar,» Physical Review X 11, no. 4 (December 13, 2021): id. 041050, doi:10.1103/PhysRevX.11.041050.

2. B. P. Abbott et al., “Astrophysical Implications of the Binary Black Hole Merger GW150914,” Astrophysical Journal Letters 818, no. 2 (February 20, 2016): id. L22, doi:10.3847/2041-8205/818/2/L22; Hugh Ross, «How Gravitational Waves Help Explain the Universe’s BeginningToday’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, March 10, 2016.

3. Hugh Ross, The Creator and the Cosmos, 4th edition (Covina, CA: RTB Press, 2018), 114–120.

4. Kramer et al., «Strong-Field Gravity Tests,» 37.

5. Irwin I. Shapiro, «Fourth Test of General Relativity,» Physical Review Letters 13, no. 26 (December 28, 1964): 789–791, doi:10.1103/PhysRevLett.13.789.

6. Hugh Ross with John Rea, «Big Bang—The Bible Taught It First!Reasons to Believe (July 1, 2000); Hugh Ross, «Does the Bible Teach Big Bang Cosmology?» Today’s New Reason to Believe (blog), Reasons to Believe, August 26, 2019.