martes, 22 de diciembre de 2009

20 Las Estrellas de Neutrones y la Relatividad

D e los más de setecientos púlsares que se han detectado hasta la fecha, quizá el más interesante de todos ellos es el PSR 1913 +16 en la constelación El Águila, el cual presenta una frecuencia de pulsación que crece y decrece en un ciclo regular de siete horas y cuarenta y cinco minutos. Fue descubierto en 1974 por el estudiante de doctorado Russell Hulse de la Universidad de Massachusetts en el radiotelescopio gigante de Arecibo, en Puerto Rico. Este investigador lanzó la hipótesis de que el púlsar estaba orbitando en torno a una compañera no visible (quizá un segundo púlsar, cuya emisión localizada no apuntara hacia la Tierra, impidiendo así su observación). De esta forma, la variación del período del púlsar sólo sería una apariencia. En cada órbita, la estrella de neutrones se alejaría y posteriormente se acercaría a la Tierra. Debido a este movimiento relativo, la longitud de onda de las señales de radio se acortarían y alargarían debido al efecto Doppler. Hulse y su profesor guía de tesis Joseph Taylor se dieron cuenta de que algunas propiedades del sistema binario del PSR 1913 +16 podría convertirlo en el terreno de pruebas adecuado para la teoría de la relatividad. La teoría de la relatividad general de Einstein establece que la gravedad no es exactamente una fuerza como Newton la concibió, sino que es asimilable a la curvatura que el espacio tiempo experimenta en las cercanías de un cuerpo masivo. La relatividad general, en sus ecuaciones matemáticas, predice la influencia gravitacional entre dos cuerpos difiriendo de las aproximaciones clásicas de Newton. Si bien, las diferencias no son sustanciales, especialmente cuando se trata de cuerpos pequeños, ello cambia cuando se está hablando de astros masivos como una estrella.

Los sistemas binarios ordinarios podrían servir igualmente como banco de pruebas, si no fuera porque, debido a su propia naturaleza, la atracción gravitacional entre estrellas normales presenta variaciones que afectan el movimiento orbital. En cambio, los sistemas integrados por estrellas de neutrones combinan una masa enorme con una extraordinaria compactibilidad, lo que les libera de los confusos efectos inherentes a los sistemas binarios normales. Aquellos científicos que anhelaban poner a prueba la teoría de la relatividad encontraron en el sistema del Águila la ansiada oportunidad, no sólo por la idoneidad de sus integrantes, sino porque la increíble regularidad de sus señales lo convertían en el cronógrafo más adecuado para medir cualquier efecto gravitacional entre dos estrellas.

Entre las predicciones comprobables de la teoría de la relatividad se encuentra una que hace referencia a la existencia de ondas gravitatorias, pequeños rizos en la geometría del espacio-tiempo que rodea a los cuerpos masivos. Einstein predijo que las ondas gravitatorias producidas por estos cuerpos debería desproveerlos de una pequeña parte de su energía. En un sistema binario de púlsares, esta pérdida de energía debería dar lugar a una órbita cada vez más cerrada y a un correspondiente aumento en la velocidad orbital. De esta manera, el púlsar necesitaría invertir un tiempo menor para completar su órbita, un cambio que puede ser calculado usando las ecuaciones de Einstein. El púlsar fue monitoreado sistemáticamente durante cinco años desde su descubrimiento y en ello se pudo establecer que la estrella de neutrones cambiaba su período orbital de forma acorde a lo propugnado por la teoría. La aceleración orbital atribuible a las ondas gravitatorias es increíblemente pequeña ( un segundo cada 10.000 años) y la factibilidad de haberla descubierto es atribuible, en gran medida, a la propia regularidad que comporta el púlsar, lo que convirtió en obvios los diminutos cambios que se pudieron apreciar durante el período del monitoreo para su estudio.



S iguiendo con los fenómenos gravitatorios que nos predice la teoría de la relatividad de Einstein, cuando se trata de cuerpos extraordinariamente masivos como es el caso de una estrella de neutrones, no es extraño, dentro del marco de la naturaleza humana, formularse la pregunta sobre qué sucedería al visitarse estos astros.

Sinceramente no veo, para un ser humano, la posibilidad de viajar a la inmediata vecindad o pisar la superficie de una masiva estrella, compactada o no, con gravedad muy intensa. Incluso si hubiera la posibilidad de subsistir a los efectos de la tremenda radiación que emiten estos astros, la intensa gravedad que se debe generar en ellos presenta problemas insoslayables y, más aún, si se trata de una estrella de neutrones. Para explicar esto, ni siquiera se puede usar objetivamente la socorrida frase: cuando se pone pie en tierra. Un astronauta o cosmonauta no podría estar de pie sobre la superficie de una masiva estrella y menos de una de neutrones, ya que la tremenda gravedad que se da en una estrella de neutrones lo aplastaría; ahora, tumbarse, tampoco lo ayudaría en algo, igual colapsaría. Mantenerse en una órbita cercana a la estrella en una nave, podría compensarse el enorme campo gravitatorio mediante una gran aceleración centrífuga, pero ello igual presenta otros problemas difíciles de abordar, como el de la gran diferencia de gravedad que se da entre la cabeza y los pie en los miembros de la tripulación y lo tirones que generan la fuerza de marea, que seguramente serían mayores a los soportables para la resistencia de una persona.
A pesar de todo es siempre interesante concurrir a hacerse preguntas cuyas respuestas nos parecen poco reales para la naturaleza humana pero son ciertas y consecuentes con nuestro stock de conocimientos, especialmente de origen matemático. Imaginemos que, pese a todo, realizamos un viaje a una estrella de neutrones. El astro, por esas cosas de Dios, se encuentra habitado por humanoides. La tripulación terrícola de la nave debe coordinar sus relojes con los de los neutronianos, para que estos los reciban de acuerdo a un programa que se ha establecido previamente, para ello es necesario establecer cuál es el tiempo de la nave en relación con el de la estrella.

Ya, al acercarse la nave y entrar en órbita al rededor de la estrella de neutrones, el tiempo para la tripulación parece que transcurre más lentamente que lo que es habitual para ellos; les da la sensación de estar detenidos en el espacio como si la nave no se moviera. Saben, además, por la gravedad a que ya están sometidos y la que ofrece en la superficie el astro que visitan, que los tiempos que deben coordinar son disímiles uno del otro.

Predicho por la teoría de la relatividad y confirmado en la Tierra por diferentes experimentos, el tiempo de superficie transcurre más lentamente que el que se da en la cabina de un avión en vuelo. En consecuencia, en una estrella de neutrones los relojes sobre su superficie corren más lentamente que los que se encuentran a distancia de la estrella. Lo último lo podemos comprobar matemáticamente con un ejemplo considerando a una estrella de neutrones de 1M con un diámetro de 20 km., en el cual el factor de dilatación del tiempo es:



La relación entre el tiempo del observador distante (T) y los habitantes de la superficie de la estrella (t) es: t = T x g. En que: M = 2 x 1033g; G = 6,6 x 10-8; c = 3 exp(10), y R = 20 exp(5).

Entonces, para cualquiera unidad de tiempo tenemos que E = 0,146 y g = 1,08. El factor que nos da para g implica que los observadores que se encuentran orbitando en la nave detectaran que los relojes de los habitantes de la superficie de la estrella de neutrones marcan 1,08 veces menos que los de ellos. Ahora, como son los habitantes los que estan expuestos a la mayor gravedad, los relojes de ellos corren más lentamente en término absoluto con respecto a los observadores distantes que se encuentran en la nave en órbita.


El ejercicio matemático anteriormente expuesto, es tan sólo una humilde aplicación de uno de los tantos viajes esclarecedores por los complejos y fascinantes procesos que nos otorga la teoría de la relatividad en la consecución de poder entender el comportamiento natural del universo. Con el uso de sus instrumentos en ese ejercicio, hemos querido demostrar lo casi inconmensurable que aparece a escala humana común las fenomenales características que comporta una estrella de neutrones. Quienes conocen los experimentos realizados aquí, en la Tierra, sobre el comportamiento del tiempo a nivel de superficie y el que se da en un avión en vuelo, por ejemplo, los resultados que se dan en el ejercicio sobre el tiempo en una estrella de neutrones, por lo menos, deberán tener más de una sensación de asombro.

Fuente: http://www.astrocosmo.cl/h-foton/h-foton-03_07-07.htm

1 comentario:

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