¡Hola de nuevo! Aquí tenéis una nueva entrada radioastronómica. En esta ocasión, os hablaré de un precioso (¡y muy antiguo!) experimento que muy poca gente conoce. Una prueba con la que, con poco más que un radiotelescopio, pudo ponerse a prueba la Teoría de la Relatividad General de Einstein midiendo, con increíble precisión, la forma en la que la masa del Sol es capaz de ralentizar el tiempo a su alrededor.
A todos os sonará el experimento de Eddington del eclipse de Sol de 1919, con el que se confirmó una importantísima predicción de la Relatividad General: el camino que siguen los rayos de luz que pasan cerca de un cuerpo masivo (como el Sol) no es recto, debido a la curvatura espacial.
A modo de paréntesis, os diré que la predicción original de Einstein no era tanto que los rayos de luz se CURVARAN al pasar cerca del Sol, sino que (de ocurrir esto) se curvaran MÁS de lo que podía predecir la Teoría de la Gravitación de Universal de Newton. ¡¿Cómooooorrrr?!
En efecto, ¡la Gravitación de Newton TAMBIÉN PREDICE que la luz pueda curvar su trayectoria al pasar cerca del Sol! Pero para que esto ocurra, los fotones (o sea, los rayos de luz) deberían tener masa; algo de lo que, en los tiempos anteriores a Einstein, nadie tenía ni la menor idea.
No obstante, la curvatura de los rayos de luz predicha por la Gravitación de Newton (si la luz tuviese masa) es pequeña, comparada con la predicha por la Relatividad de Einstein. Concretamente, Einstein predecía el doble de desviación que la Teoría de Newton. Y eso fue lo que, precisamente, midió Eddington el día de aquel famoso eclipse.
En esta figura, podéis ver los datos originales de Eddington y los dos modelos (Einstein y Newton) usados en el ajuste. La figura ha sido rehecha por Daniel Tafoya, un colega mío de la Universidad de Chalmers:
Cerremos ahora este pequeño paréntesis y sigamos con el tema que nos ocupa:
El experimento de Eddington es uno de los «tests clásicos de la Relatividad General». Se basa en observaciones astronómicas, por lo que es imposible de controlar en un laboratorio. Además, hay que esperar a que haya un eclipse de Sol para poder medirlo. Pero, por suerte, hay otro test relacionado con el Sol que es completamente repetible y, además, mucho más preciso que el de Eddington:
Se trata de un test que inventó «mi abuelo académico» (el director de mi director de tesis), Irwin I. Shapiro, allá por la década de 1960. El experimento se basa en detectar lo que hoy conocemos como el «retraso de Shapiro», que puede medirse en señales radar interplanetarias.
La idea del «retraso de Shapiro» es preciosa: si un rayo de luz que pasa cerca del Sol está siendo afectado por la curvatura espacio-temporal, entonces no solamente se doblegará en el espacio, sino que también sentirá el efecto de cómo transcurre el tiempo en esas regiones.
Cuando nos acercamos a un cuerpo muy masivo, como el Sol, el tiempo en sus alrededores transcurre más lentamente que en la lejanía. Es como si la masa (y la energía) fuesen una especie de «repelente de tiempo». El caso extremo es el horizonte de sucesos de un agujero negro, donde el tiempo coordenado se congela por completo.
Por lo tanto, si un rayo de luz se acerca al Sol, «explorará» regiones del espacio donde el tiempo transcurre más lentamente, lo que implica que la velocidad de la luz (vista desde la lejanía) parecerá ser más lenta que lo que toca. ¡Ostras! ¿Pero esto no viola la Relatividad Especial, que asegura que la velocidad de la luz es siempre constante?
En efecto, la Relatividad impone que la velocidad de la luz en el vacío es una constante universal. Pero esto solamente es así cuando tal velocidad de mide de forma «correcta»; o sea, cuando usamos reglas y relojes que estén en la región del espacio donde se está propagando el rayo de luz.
Esto significa que la velocidad de la luz, medida con reglas y relojes situados lejos de la región donde se propaga el rayo, podrá ser más lenta… o incluso nula (!!!!), tal y como ocurre en el horizonte de sucesos de un agujero negro, visto desde la lejanía. Pero eso solo es un efecto de medir una velocidad usando reglas y cronómetros que, al estar lejos del rayo de luz, no reflejan las condiciones espaciales y temporales de forma correcta.
Ojo con esto: en la Relatividad General, cuando pretendemos medir la velocidad de algo de forma correcta, hemos de usar coordenadas espaciales y temporales «locales» (o sea, las propias del sitio por donde está viajando ese algo) y reflejen, por lo tanto, las condiciones de curvatura del lugar.
Que un rayo de luz parezca frenar (visto desde la lejanía) cuando se acerca a un cuerpo masivo como el Sol es un efecto relacionado con cómo «conectamos» las coordenadas espaciales y temporales entre distintos puntos de un espacio-tiempo curvado. Pero la luz, en sí misma, siempre viajará a «c».
Volvamos ahora al retraso de Shapiro. En efecto, Shapiro predijo que un rayo de luz que pasa cerca del Sol debe tardar un poquitín más en atravesar esa región comparado con el caso de la Gravitación de Newton, ya que en esas regiones el tiempo transcurre más despacio.
El retraso de Shapiro para rayos que pasan cerca del Sol es del orden de hasta unos pocos cientos de millonésimas de segundo… ¡Y estamos hablando de trayectorias de más de cien millones de kilómetros! ¿Es posible medir un efecto tan pequeñito de ralentización temporal?
Aunque parezca increíble, ¡puede hacerse! Y, como no, ¡eso es gracias a la Radioastronomía! Shapiro tuvo la brillantísima idea de lanzar señales de radio muy potentes en dirección a Venus y Mercurio, cuando estos planetas estaban casi ocultándose detrás del Sol.
Aquellas señales llegaron a los planetas, rebotaron y volvieron de regreso a la Tierra. Entonces, las técnicas interferométricas de radar permitieron medir, con una precisión de millonésimas de segundo, el tiempo que tardó la luz en realizar todo ese camino interplanetario.
Como no podía ser de otra forma, aquellos experimentos (y muchos otros que se hicieron cada vez con más sensibilidad y precisión) confirmaron este hecho tan maravilloso: efectivamente, la luz se «frena» un poquito cuando pasa cerca del Sol, debido a que el tiempo allá fluye de forma más lenta.
Hoy en día, el retraso de Shapiro se ha convertido en una potente herramienta en Radioastronomía. Lo aplicamos (en una versión corregida) en nuestros análisis de Astrometría y Geodesia y, además, se ha usado incluso para «pesar» estrellas de neutrones en sistemas binarios.
¿Qué os ha parecido? ¿A que la Radioastronomía mola? Algo que también me encanta de toda esta historia es que podamos enviar señales radar a través del espacio interplanetario y recibirlas de nuevo, como si estuviéramos jugando a una especie de «padel astronómico» con los planetas.
La idea de los «radares interplanetarios» es de poco después de la Segunda Guerra Mundial, cuando empezó a usarse la Luna como «espejo» en comunicaciones terrestres de larga distancia. ¡Wow! De hecho, esta hazaña aún la suelen hacer algunos radio-aficionados (que dispongan de buenos equipos).
Y hablando de usar la Luna como espejo de radio, ahora recuerdo un precioso proyecto que hizo el instituto ASTRON/JIVE (en los Países Bajos) hace ya bastantes años, coincidiendo con el aniversario de la misión Apollo 11, y que me emocionó cuando me hablaron de él:
Usaron el viejo radiotelescopio de Dwingeloo (en Holanda) para enviar a la Luna (por radar) distintas señales: desde audios de niños hablando hasta sus dibujos escaneados. Desconozco los detalles (me lo contaron hace mucho tiempo, durante una conferencia por aquellos lares):
Imaginad las caritas de los críos cuando les decían (y veían con sus propios ojos) cómo sus voces y sus dibujitos se convertían en ondas de radio, viajaban hasta la Luna, volvían a la Tierra y eran «reconstruidos» de nuevo. ¿No se os saltan las lágrimas de pensarlo?
¡Lo que daría por haber experimentado algo como eso a la edad que tenían esos peques!
Y voy acabando ya. Espero que hayáis disfrutado esta entrada radioastronómica. Dentro de poco, os pasaré otra también muy interesante. ¡Manteneos a la radio-escucha!
Un cordial saludo. Respecto al Efecto Shapiro, también se puede interpretar como la variación del Índice de Refracción (Densidad Energética) del un tejido Espacio-Tiempo a causa del campo gravitacional presente en cada región del universo, de manera que tanto el desplazamiento de un rayo de luz cambia su velocidad en función de la magnitud del Índice de Refracción de la region de Espacio-Tiempo por el que se desplaza,
¡Gracias por tu comentario, José Alberto! Efectivamente, una forma de interpretar las ecuaciones es absorbiendo el efecto en un índice de refracción. De hecho, hay algoritmos de simulación de imágenes que se basan en eso.
Otra interpretación relativista sobre la causa BÁSICA de este fenómeno es que «el campo gravitatorio modifica el Indice de Refracción del tejido espacio-tiempo por el que se desplaza el rayo de luz»
El reconocer que «el E-T tiene un Índice de Refracción PROPIO», lo que a partir del descubrimiento de las Ondas Gravitacionales constituye un enunciado muy convincentemente, y teniendo en cuenta además el efecto gravitacional que sobre el E-T ejerce el Principio de Equivalencia de la T.G.R., entonces se deduce de manera natural que «en los eventos de colapso gravitacional de los agujeros negros la Singularidad NO ocurre!!, porque el colosal Índice de Refracción del E-T en una región próxima al centro de un agujero negro constituye un FRENO que DETIENE el colapso de los cuerpos y radiaciones implicadas en el colapso gravitacional, de manera que finalmente el nucleo de un agujero negro es un volumen FINITO de E-T de muy alta Densidad Energética (Indice de Refracción)» Un cordial saludo!