1/ An ESA/Hubble Picture of the Week from December 2020 prompted new understanding of an Einstein ring, nicknamed the "Molten Ring''

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Credit: @ESA / @Hubble_Space & @NASA, S. Jha
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— HUBBLE (@HUBBLE_space) September 23, 2021

“Para derivar las propiedades físicas de esa galaxia con un lente, se necesita un modelo específico de lente. Este modelo sólo se podía obtener con la imagen del Hubble”, explicó Anastasio Díaz-Sánchez, de la Universidad Politécnica de Cartagena (España). A partir de ese modelo, los científicos calcularon el factor de amplificación, que es un efecto de la lente gravitacional. Esto permitió estudiar las propiedades físicas de la galaxia y, en particular, establecer que está ubicada a 9.400 millones de años luz de la Tierra.

“La detección de gas molecular, del cual nacen nuevas estrellas, nos dio la oportunidad de calcular el corrimiento al rojo, lo que reveló que realmente estamos viendo una galaxia muy distante”, informó Nikolaus Sulzenauer, estudiante del Instituto Max Planck de Radioastronomía (Alemania) y miembro del equipo de investigación. “Nuestra investigación también ha demostrado que se trata de una galaxia estándar de formación de estrellas (o galaxia de secuencia principal) en su pico de formación de estrellas en el Universo”, añadió Helmut Dannerbauer, del Instituto de Astrofísica de Canarias (España).

Tras casi 30 años de mediciones, los científicos pudieron determinar que la órbita de una estrella en el centro de la Vía Láctea tiene forma de rosetón, y no de elipse como sugería la teoría de la gravedad de Isaac Newton. “La Relatividad General de Einstein predice que las órbitas unidas de un objeto alrededor de otro no están cerradas, como en la gravedad newtoniana, sino que avanzan hacia adelante en el plano de movimiento”, explica en un comunicado de la ‘ESO’ Reinhard Genzel, director del Instituto Max Planck de Física Extraterrestre de Alemania.

ESO's Very Large Telescope has observed for the first time a star dancing around the supermassive black hole at the centre of the Milky Way, as predicted by Einstein’s theory of general relativity.

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— ESO (@ESO) April 16, 2020

Este interesante efecto, observado por primera vez en la manera que orbita el planeta Mercurio alrededor del Sol, fue la primera evidencia a favor de la Relatividad General. Ahora, casi cien años después, los investigadores detectaron ese mismo efecto en el movimiento de la estrella S2, que orbita la fuente de radio compacta Sagitario A *, en el centro de nuestra galaxia, donde yace un agujero negro supermasivo de 4 millones de veces la masa del Sol.

Sagitario A * y el denso grupo de estrellas a su alrededor se ubican a unos 26.000 años luz de nuestro sistema solar. Las mediciones indican que S2 se mueve por el espacio a casi el 3 % de la velocidad de la luz y orbita el agujero negro una vez cada 16 años terrestres. Los astrónomos explican que la mayoría de estrellas y planetas tienen una órbita no circular, alejándose y acercándose del objeto por el que giran. En el caso de la estrella S2, su movimiento cambia con cada giro cuando se encuentra en el punto más cercano al agujero negro, creando el efecto de rosetón.

La teoría de Einstein proporciona una predicción precisa de cuándo el objeto espacial cambia su órbita y las últimas mediciones de esta investigación coinciden exactamente con su teoría. Este efecto, conocido como precesión de Schwarzschild, es la primera vez que es medida en una estrella alrededor de un agujero negro supermasivo. Ya que las predicciones de la Relatividad General funcionan, estos resultados pueden ayudar a los científicos a aprender más sobre el vecindario alrededor del agujero negro en el centro de la Vía Láctea, además de servir para estudiar la materia oscura y otros posibles agujeros negros más pequeños.

Para realizar este nuevo experimento, el grupo de investigadores estableció dos relojes ópticos ultraprecisos desarrollados por el Centro RIKEN para Fotónica Avanzada, uno en la base y otro en el observatorio de 450 metros de la torre Tokyo Skytree en la capital japonesa, reporta el portal ‘Phys.org’. La idea del experimento fue hacer nuevas mediciones de gran precisión del efecto de dilatación del tiempo que predijo Einstein.

Una de las consecuencias de este efecto es que el tiempo corre de manera más lenta en un campo gravitacional profundo que en uno más superficial. O sea, el tiempo correría un poco más lento en la base de la torre televisiva en Tokio que en la parte superior. Así fue, el uso de los dos relojes ópticos demostró que el reloj de arriba, a una la altura de 450 metros, fue más rápido que el de abajo.

Según los investigadores, el experimento demostró una vez más la teoría de Einstein. Sin embargo, Hidetoshi Katori —del Centro RIKEN— considera que lo más destacable de esta prueba ha sido lograr mediciones de una precisión comparable a las que se realizan desde el espacio, pero empleando dispositivos transportables en el terreno. En el futuro el grupo de científicos planea comparar relojes a cientos de kilómetros de distancia para supervisar las elevaciones y depresiones del terreno a largo plazo, una de las potenciales aplicaciones de estos instrumentos de alta precisión.

Como resultado de las observaciones, que duraron casi dos décadas, pudieron rastrear por primera vez cómo la estructura espacio-temporal se distorsiona alrededor de una enana blanca que gira rápidamente, según los hallazgos del estudio publicados en la revista ‘Science’. De esta manera lograron confirmar el llamado efecto Lense-Thirring, predicho por la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, y según el cual el espacio-tiempo se ve ‘arrastrado’ por la presencia de un objeto masivo en rotación. El efecto fue observado también el año pasado en el agujero negro V404 en la constelación Cygnus.

Ahora los científicos revelaron que curvaturas similares en la estructura del espacio-tiempo pueden ser observadas también alrededor de algunas enanas blancas. Según Willem van Straten, astrofísico de la Universidad Tecnológica de Auckland (Nueva Zelanda), las observaciones del púlsar que orbita alrededor de esta enana blanca mostraron que su órbita ‘se balancea’ unos 150 kilómetros hacia los lados cada dos décadas bajo la influencia de los efectos asociados con el ‘estiramiento’ del espacio-tiempo alrededor de ese sistema binario.

“Lo que hemos encontrado es que la órbita del sistema está cayendo en el espacio”, dijo Vivek Venkatraman Krishnan, del Instituto Max Planck de Radioastronomía, en Alemania. Resultó que la inclinación de la órbita del púlsar está cambiando lentamente debido al mencionado efecto causado por la rotación de la enana blanca. Según Krishnan, todo lo que sucede en este sistema “concuerda completamente con las predicciones de la relatividad general”.

El sistema PSR J1141-6545 tiene la peculiaridad de que su enana blanca gira muy rápidamente alrededor de su eje debido a que nació antes que su vecino púlsar, lo que le permitió ‘robar’ parte de la materia de la estrella que generó el púlsar. Esa velocidad de rotación ultrarrápida, su alta densidad y la distancia extremadamente pequeña entre las dos partes del sistema hicieron concluir a los científicos que el efecto Lense-Thirring afecta en gran medida la naturaleza del movimiento del púlsar en órbita. Las mediciones hechas con la ayuda de los radiotelescopios australianos UTMOST y Parks confirmaron que la órbita del púlsar realmente ‘se sacudió’ bajo la influencia de efectos relativistas similares. Esto no solo confirmó una vez más la teoría de la relatividad de Einstein, sino que también permitió a los científicos medir con precisión las propiedades de la enana blanca y el púlsar, que coincidieron con los valores predichos de manera teórica.

Según Einstein, la gravedad es fruto de la forma en que el tiempo y el espacio resultan deformados por la masa. Y mientras más masivo sea un objeto, mayor será su atracción gravitacional.

Esta explicación fue verificada en numerosas ocasiones en campos de gravitación relativamente débiles, como los presentes en la Tierra y el Sistema Solar. Sin embargo, los científicos creen que campos gravitacionales mucho más poderosos podrían revelar irregularidades en la relatividad general, dando lugar a nuevas teorías capaces de explicar algunos de los grandes misterios del universo, tales como la materia oscura y la energía oscura.

Para avanzar en este asunto, los autores del nuevo trabajo, reportado en la revista ‘Science’ estudiaron el agujero negro supermasivo Sagitario A*, un gigante espacial ubicado en el centro de la Vía Láctea con una masa 4 millones de veces superior a la del Sol y un diámetro de 23,6 millones de kilómetros.

Con ayuda de tres observatorios ubicados en Hawái, los investigadores estudiaron en 2018 la estrella S0-2 cuando esta alcanzaba el punto más cercano al Sagitario A*en 16 años —el tiempo en que tarda en completar su órbita— pasando a 120 unidades astronómicas del agujero negro y al 2,7 % de la velocidad de la luz.

Después crearon un modelo tridimensional de su recorrido y lo utilizaron combinándolo con otras mediciones recabadas en el transcurso de los últimos 24 años para comprobar una de las predicciones de la relatividad general conocida como corrimiento al rojo (‘redshift’, en inglés), que describe la manera en que la gravedad puede distorsionar la luz.

Así, la luz que cae hacia el campo gravitacional se desplaza hacia el extremo azul del espectro, de modo que la luz que escapa del campo se vuele rojiza. Y eso fue exactamente lo que ocurrió con S0-2 por el efecto de la extrema gravedad de Sagitario A*, comprobándose de esta forma la teoría de Einstein.

“Esto fue anticipado hace mucho tiempo de manera teórica, pero es realmente emocionante que, finalmente, seamos capaces de hacerlo”, expresó Tuan Do, autor principal del trabajo e investigador de la Universidad de California (EE.UU.). El investigador admitió sentirse maravillado ante el hecho de que esas predicciones “funcionan a pesar de que los agujeros negros, y muchos menos los supermasivos, ni siquiera eran conocidos cuando Einstein creó su teoría”.

“Einstein está en lo cierto, al menos por ahora”, coincide Andrea Ghez, coautora principal de la publicación y profesora de la misma institución educativa. “Sin embargo, su teoría muestra definitivamente vulnerabilidad”, ya que “no es capaz de explicar completamente la gravedad en el interior de un agujero negro”, por lo que “en algún momento deberemos avanzar más allá de la teoría de Einstein hacia una teoría de la gravedad más amplia que explique lo que es un agujero negro”, concluye.

La imagen, publicada en ‘Science Advances’, refleja el entrelazamiento cuántico, partículas que pueden mantenerse conectadas de manera tal que las propiedades físicas de una afectan a la otra, sin importar la distancia a la que se encuentren.

El vínculo entre estas partículas fue cuestionado por Einstein, ya que la interacción remota parecía ser incompatible con su teoría especial de la relatividad. Entonces, propuso que el entrelazamiento podría ser posible gracias a una variable oculta que conectara y mantuviera relacionadas a las partículas. Sin embargo, en la década de 1960, el físico John Bell comprobó la inexistencia de esas variables, refutando así la hipótesis de Einstein.

Physicists at the University of Glasgow have created the first direct image of quantum entanglement–the "spooky" process that links the measured properties of seemingly independent particles. https://t.co/3yebCUgpFx pic.twitter.com/4buZc7TH8Y

— Corey S. Powell (@coreyspowell) 14 de julio de 2019

Tras tomar la foto, Miles Padgett, uno de los autores del estudio, definió el resultado como “la prueba fundamental del entrelazamiento cuántico”, reporta ‘Live Science’.

Para lograrlo, debieron enlazar fotones. Entonces, calentaron un cristal con un láser ultravioleta y así dividieron fotones en dos. “Debido a la conservación de la energía de ambos y a la cantidad de movimiento, cada par resultante está entrelazado” explicó.

Así, revelaron que los pares entrelazados estaban correlacionados con más frecuencia de la que se podría esperar si estuviera involucrada una variable oculta.

Una de las teorías de Hawking sugiere que no toda la materia que se acerca a un agujero negro cae dentro de él,a diferencia de lo que sostiene la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, según la cual nada que entre allí puede escapar. Existen casos cuando surgen pares de partículas entrelazadas, siendo una absorbida, mientras la otra escapa al espacio. A las partículas que pueden escapar de un agujero negro se las conoce como radiación de Hawking. El astrofísico británico predijo que la radiación que escapaba tendría una temperatura inversamente proporcional al tamaño del agujero negro.

Hasta entonces la teoría no había podido ser demostrada, ya que cualquier radiación que escape de un agujero negro sería demasiado débil para ser medida. Por esta razón los investigadores crearon análogos de agujeros negro en laboratorio.

Los científicos lograron recrear el horizonte de eventos, frontera en la que la materia caería al agujero negro sin dejar rastro. Para ello usaron láseres y un estado de la materia conocido como ‘condensado de Bose-Einstein’ que consiste en átomos de rubidio enfriados. En este horizonte de eventos artificial se producen dos pares de ondas de sonido, una de las cuales es absorbida dentro de esta región, mientras que la otra es expulsada en forma de radiación de Hawking.

Finalmente, la temperatura de la radiación pudo se medida por el equipo, estimándose en 0,000035 millonésimas de grados Kelvin.

Por su puesto, el experimento no demuestra por completo la teoría, ya que para ello debería desarrollarse una tecnología capaz de medir la radiación de un agujero negro real. Sin embargo, el hallazgo da más sustento a la teoría y representa un esquema de detección que en un futuro cercano permitirá investigar muchos otros fenómenos interesantes.

“Ahora hemos visto lo que no se puede ver”, dijo el astrónomo sobre la imagen del M87* divulgada este 10 de abril por la red de observatorios conocida como el Telescopio del Horizonte de Sucesos (EHT por sus siglas en inglés). “Los agujeros negros se han hecho reales, ya no son solo garabatos en las pizarras de los teóricos, sino que realmente están ahí afuera en la noche”.

En declaraciones a la cadena CBC Broderick se mostró “muy entusiasmado con el futuro porque esto marca el comienzo de una nueva era en la astronomía, en la investigación de la gravedad”. A su juicio, “realmente estamos hoy en el umbral”.

En la imagen el agujero negro se ve como un anillo anaranjado alrededor de una silueta redonda y oscura, en la cual los astrónomos reconocieron el agujero negro supermasivo de la galaxia M87, situada a más de 50 millones de años luz de la Tierra. El agujero no está en el centro exacto de la galaxia, sino que está desplazado aproximadamente 22 años luz hacia un lado, algo que facilitó su reconocimiento en este caso particular.

“Podemos poner a prueba la relatividad general en esta región, a la que nunca se había accedido antes”, valoró Broderick. El científico afirma que haber fotografiado un agujero negro ha dado al mundo científico la sensación de ser “extremadamente poderoso”, pero también se pregunta: “¿Ha pasado la prueba, de momento, la teoría de Einstein?”. Para el investigador canadiense “la respuesta es sí”.

Los programas de simulación “pueden crear la ilusión de un cuerpo virtual que sustituye el tuyo” mediante una “encarnación virtual”, explicó Mel Slater, investigador de la Universidad de Barcelona (España) y coautor del trabajo, informa ‘ScienceDaily’.

Esta investigación consistió en crear “un ambiente virtual inmersivo”, en el que los participantes del experimento podían ver un “nuevo cuerpo reflejado en un espejo”, de modo que el avatar se correspondía “exactamente con todos sus movimientos”, creando “una poderosa ilusión de que ese cuerpo virtual es el propio”.

El experimento contó con la participación de treinta hombres jóvenes, quienes al comienzo debieron realizar diversas tareas para determinar su aptitudes cognitivas, su nivel de autoestima y sus esterotipos sobre las personas de mayor edad.

Posteriormente, todos ellos fueron provistos de cascos de realidad virtual y de trajes con sensores que miden los movimientos corporales. La mitad del grupo debió encarnar el cuerpo virtual de Albert Einstein, mientras que los otros quince integrantes utilizaron personajes normales con cuerpos de hombres adultos.

Al completar una serie de ejercicios en el ambiente virtual, los participantes fueron sometidos otra vez al mismo tipo de pruebas que al comienzo. Esta vez, aquellos integrantes del experimento que habían personificado a Einstein obtuvieron un mejor rendimiento cognitivo, especialmente los que tenían una autoestima baja. Además, este grupo redujo su nivel de parcialidad hacia la gente mayor.

Los expertos explican esto apuntando que los prejuicios están basados en considerar a alguien como diferente a uno mismo, mientras que la experiencia de encarnar el cuerpo virtual de una persona mayor ayudó a difuminar estas diferencias.

De la misma manera, el hecho de sentirse en el cuerpo de una persona extremadamente inteligente pudo haber afectado de manera positiva a la autopercepción de los participantes, ayudándoles a activar recursos mentales desaprovechados hasta ese momento.

“Es posible que esta técnica pueda ayudar a la gente con el autoestima baja a desempeñarse mejor en las tareas cognitivas”, así como “podría ser de utilidad en la educación”, concluyó Slater.

Así, numerosos tuiteros destacaron que Hawking falleció en el Día de Pi, es decir, la fecha del calendario que recuerda el valor 3,14 y que constituye una ocasión para realizar celebraciones en honor a la famosa expresión matemática. “Stephen Hawking era alguien genial a la vieja usanza y murió en el Día de Pi”, reza una de las publicaciones.

“Al igual que el número pi, que nunca termina, tu increíble mente le dejó a nuestro planeta un legado infinito”, expresó otro usuario.

A su vez, otros internautas remarcaron que el 14 de marzo es otra fecha importante para el mundo de la ciencia, ya que ese día nació Albert Einstein. Los internautas recordaron, además, que ambos científicos murieron a los 76 años de edad.

Por último, algunos usuarios de Twitter recordaron que el recientemente fallecido científico británico compartía fecha de nacimiento con otra gran figura de la ciencia, Galileo Galilei. Hawking nació nada menos que en el 300 aniversario del nacimiento del célebre astrónomo, matemático y físico italiano.