Capítulo 7: Pruebas Experimentales de la Relatividad General

En los capítulos anteriores, hemos visto cómo la teoría general de la relatividad de Einstein cambió radicalmente nuestra comprensión de la gravedad, el espacio y el tiempo. La teoría hace una serie de predicciones sorprendentes que difieren de la gravedad newtoniana, como la curvatura de la luz de las estrellas por el Sol, la precesión de la órbita de Mercurio y el corrimiento al rojo gravitacional de la luz. En este capítulo, exploraremos estas predicciones en detalle y examinaremos la evidencia observacional que se ha acumulado durante el último siglo para probar la relatividad general. Comenzaremos con las tres "pruebas clásicas" que fueron propuestas por el propio Einstein, y luego pasaremos a pruebas más modernas que involucran fenómenos como la lente gravitacional, las ondas gravitacionales y los agujeros negros. Como veremos, la relatividad general ha superado cada prueba con gran éxito, consolidando su posición como nuestra mejor teoría de la gravedad hasta la fecha.

Las Tres Pruebas Clásicas

Poco después de que Einstein publicara su teoría general de la relatividad en 1915, propuso tres pruebas observacionales que podrían confirmar o refutar la teoría. Estas pruebas, que llegaron a ser conocidas como las "pruebas clásicas" de la relatividad general, fueron:

1. La precesión del perihelio de Mercurio
2. La desviación de la luz de las estrellas por el Sol
3. El corrimiento al rojo gravitacional de la luz

Examinemos cada una de estas pruebas en orden.

La Precesión del Perihelio de Mercurio

El planeta Mercurio tiene una órbita altamente elíptica alrededor del Sol, con su acercamiento más cercano (perihelio) precesando una pequeña cantidad en cada órbita. Según la gravedad newtoniana, esta precesión debería ser totalmente explicada por las atracciones gravitatorias de los otros planetas. Sin embargo, observaciones precisas a finales del siglo XIX revelaron una pequeña discrepancia: el perihelio de Mercurio avanzaba aproximadamente 43 segundos de arco por siglo más de lo que predicía la teoría de Newton.

Esta anomalía había desconcertado a los astrónomos durante décadas, e incluso algunos habían sugerido la existencia de un planeta invisible ("Vulcano") cerca del Sol para explicarla. Pero en 1915, Einstein demostró que su teoría general de la relatividad naturalmente explicaba la precesión excesiva de Mercurio. Según la relatividad general, la curvatura del espacio-tiempo alrededor del Sol hace que la órbita de Mercurio precese 43 segundos de arco adicionales por siglo, en total acuerdo con las observaciones.

Esto fue un gran triunfo para la teoría de Einstein. Explicó un misterio de larga data y proporcionó evidencia convincente de la existencia de la curvatura del espacio-tiempo. Hoy en día, la precesión del perihelio de Mercurio se considera uno de los pilares observacionales clave de la relatividad general.

La Desviación de la Luz de las Estrellas por el Sol

Otra predicción de la relatividad general es que la luz debe ser desviada por los campos gravitatorios. Según la teoría, un rayo de luz de una estrella que pasa cerca del Sol debería ser curvado por un ángulo pequeño, siendo la desviación el doble de lo que predeciría la gravedad newtoniana.

Einstein se dio cuenta de que este efecto se podría probar durante un eclipse solar total, cuando las estrellas cerca del Sol se vuelven visibles en el oscuro cielo diurno. Al comparar las posiciones aparentes de las estrellas durante el eclipse con sus posiciones normales durante la noche, los astrónomos podrían medir la desviación y ver si coincide con la predicción de la relatividad general.

El primer intento de medir este efecto se realizó durante el eclipse solar total de 1919, por dos expediciones lideradas por el astrónomo británico Arthur Eddington. Un equipo viajó a la isla de Príncipe, frente a la costa de África, mientras que el otro fue a Sobral, Brasil. A pesar de los desafíos planteados por el clima y el equipo, ambos equipos lograron fotografiar el eclipse y medir las posiciones de las estrellas.

Cuando se analizaron los resultados, mostraron que la luz de las estrellas era efectivamente desviada por el Sol, con una magnitud que coincidía estrechamente con la predicción de Einstein. La noticia hizo titulares en todo el mundo y catapultó a Einstein a la fama internacional. La curvatura de la luz de las estrellas por el Sol se consideró una confirmación dramática de la relatividad general y la existencia de la curvatura del espacio-tiempo.

Desde 1919, la prueba de la desviación de la luz se ha repetido muchas veces con una precisión creciente, utilizando tanto telescopios de radio como ópticos. Las mediciones más precisas hasta la fecha, realizadas con interferometría de muy larga base (VLBI, por sus siglas en inglés), han verificado la relatividad general hasta un 0.02%.

El Corrimiento al Rojo Gravitacional de la Luz

La tercera prueba clásica de la relatividad general involucra el corrimiento al rojo gravitacional de la luz. Según la relatividad general, la luz emitida en un campo gravitacional debería experimentar un corrimiento al rojo (es decir, su longitud de onda debería incrementarse) a medida que se aleja del pozo de potencial. Cuanto más fuerte sea el campo gravitacional, mayor será el corrimiento al rojo.

Einstein propuso que este efecto se podría medir utilizando líneas espectrales del Sol. La luz emitida por los átomos en la atmósfera del Sol debería experimentar un corrimiento al rojo ligeramente mayor en comparación con las mismas líneas producidas en un laboratorio en la Tierra, debido al fuerte campo gravitacional del Sol.

Medir este corrimiento al rojo gravitacional resultó ser un desafío debido a la necesidad de una espectroscopía extremadamente precisa y la presencia de otros efectos que pueden desplazar las líneas espectrales (como el corrimiento Doppler debido a la rotación del Sol). La primera medición exitosa se realizó en 1925 por Walter Adams, utilizando un espectrógrafo en el telescopio de 100 pulgadas en el Observatorio del Monte Wilson. Adams encontró un corrimiento al rojo gravitacional que coincidía con la predicción de Einstein, aunque con una incertidumbre bastante grande.

Se han realizado pruebas más precisas del corrimiento al rojo gravitacional desde entonces, utilizando el efecto Mössbauer y relojes atómicos. En la década de 1960, Robert Pound y Glen Rebka midieron el corrimiento al rojo de los rayos gamma que viajaban hacia arriba y hacia abajo en una torre de 22 metros en la Universidad de Harvard, confirmando la relatividad general hasta un 1%. Experimentos posteriores utilizando relojes de hidrógeno maser transportados en cohetes han verificado el corrimiento al rojo hasta unas pocas partes en 10^5. El desplazamiento al rojo gravitacional no solo es una prueba clave de la relatividad general, sino también una preocupación práctica para los satélites de GPS, que experimentan un desplazamiento al rojo significativo debido a la gravedad de la Tierra. Sin corregir este efecto, la navegación por GPS estaría desviada en varios kilómetros al día.

Pruebas Modernas de la Relatividad General

Si bien las tres pruebas clásicas proporcionaron las primeras pruebas sólidas de la relatividad general, se han ideado y llevado a cabo muchas más pruebas en el siglo desde que se publicó la teoría de Einstein. Estas pruebas modernas son una manera de explorar la relatividad general en regímenes extremos y nuevos, y aprovechan tecnologías avanzadas que no se podían imaginar en los tiempos de Einstein.

Lente Gravitacional

Una de las predicciones más impactantes de la relatividad general es el fenómeno de la lente gravitacional. Así como una lente de vidrio curva los rayos de luz que pasan a través de ella, un objeto masivo (como una galaxia o un cúmulo de galaxias) puede curvar la trayectoria de la luz de una fuente de fondo, actuando como una "lente gravitacional".

Existen tres regímenes principales de lente gravitacional:

1. Lente gravitacional fuerte: Esto ocurre cuando la lente es lo suficientemente masiva y está lo suficientemente alineada como para producir múltiples imágenes, arcos o anillos de la fuente de fondo. La primera lente gravitacional fuerte se descubrió en 1979, en forma de dos cuásares gemelos que eran en realidad dos imágenes del mismo cuásar, curvada por una galaxia en primer plano. Ahora se conocen cientos de lentes fuertes, y proporcionan una manera de mapear la distribución de la materia oscura y probar la relatividad general en escalas de kilopársec.

2. Lente gravitacional débil: Este es un efecto más sutil que ocurre cuando la masa de la lente no es lo suficientemente fuerte como para producir múltiples imágenes, pero aún distorsiona las formas de las galaxias de fondo. Al analizar estadísticamente estas distorsiones de forma en áreas extensas del cielo, los astrónomos pueden mapear la estructura a gran escala del universo y probar la relatividad general en escalas cósmicas. La lente gravitacional débil se ha convertido en una prueba clave de la cosmología en los últimos años, con grandes encuestas como la Encuesta de Energía Oscura y la Encuesta de Kilogrados proporcionando mediciones cada vez más precisas.

3. Microlente: Esto ocurre cuando un objeto compacto (como una estrella o un planeta) pasa por delante de una estrella de fondo, causando un aumento temporal de brillo de esta última debido a la lente gravitacional. La microlente se ha utilizado para descubrir exoplanetas y para investigar la población de agujeros negros y otros objetos oscuros en nuestra galaxia. También proporciona una prueba de la relatividad general en escalas estelares.

La lente gravitacional ha proporcionado algunas de las confirmaciones más espectaculares de la relatividad general hasta la fecha. El número, la distribución y las propiedades observadas de los sistemas lenteado están en excelente acuerdo con las predicciones de la relatividad general, y han establecido restricciones rigurosas sobre las teorías alternativas de la gravedad.

Ondas Gravitacionales

Quizás el desarrollo más emocionante en la prueba de la relatividad general en los últimos años ha sido la detección directa de las ondas gravitacionales. Estas son perturbaciones en la estructura del espacio-tiempo mismo, producidas por masas aceleradas y propagándose hacia afuera a la velocidad de la luz. Einstein predijo la existencia de las ondas gravitacionales en 1916, pero dudaba que pudieran detectarse debido a su amplitud extremadamente pequeña.

Un siglo más tarde, el Observatorio de Interferometría Láser de Ondas Gravitacionales (LIGO, por sus siglas en inglés) tuvo éxito en medir las mínimas distorsiones del espacio-tiempo producidas por el paso de las ondas gravitacionales. La primera detección, realizada en septiembre de 2015, provino de la fusión de dos agujeros negros a aproximadamente 1.3 mil millones de años luz de distancia. La forma de onda observada coincidió con las predicciones de la relatividad general en un margen de error del unos pocos porcentajes, lo cual proporcionó una confirmación sorprendente de la teoría en el régimen de campo fuerte y alta velocidad.

Desde entonces, LIGO y su contraparte europea, Virgo, han detectado docenas de eventos de ondas gravitacionales. Estos incluyen fusiones de agujeros negros binarios, estrellas de neutrones binarias e incluso una posible fusión de una estrella de neutrones con un agujero negro. Cada evento proporciona una nueva prueba de la relatividad general bajo condiciones extremas, y hasta ahora la teoría ha pasado con éxito.

La astronomía de ondas gravitacionales ha abierto una ventana completamente nueva al universo, permitiéndonos investigar regiones y eventos que son invisibles a la radiación electromagnética. También ha proporcionado algunas de las pruebas más rigurosas de la relatividad general hasta la fecha, confirmando predicciones clave como la existencia de agujeros negros, la propagación de las ondas gravitacionales a la velocidad de la luz, y el teorema de "sin pelo" (que establece que los agujeros negros están completamente caracterizados por su masa, carga y giro).

Evidencia Observacional de Agujeros Negros

Los agujeros negros son quizás las predicciones más extremas y enigmáticas de la relatividad general. Estas son regiones del espacio-tiempo donde la curvatura se vuelve tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, puede escapar desde el interior del horizonte de eventos. Los agujeros negros son una consecuencia directa de las ecuaciones de Einstein, pero durante muchos años se consideraron una curiosidad matemática en lugar de una realidad física.

Sin embargo, hoy en día existe una abrumadora evidencia observacional de la existencia de agujeros negros. Esta evidencia proviene de varias líneas de investigación diferentes:

1. Binarios de rayos X: Estos son sistemas donde un agujero negro o una estrella de neutrones está atrayendo materia de una estrella compañera. A medida que la materia se espirala y se calienta, emite rayos X que pueden ser detectados por telescopios. Las propiedades de estas emisiones de rayos X, especialmente la variabilidad rápida y las altas energías involucradas, proporcionan una fuerte evidencia de la presencia de un objeto compacto como un agujero negro.

2. Agujeros negros supermasivos: En el centro de la mayoría de las galaxias, incluyendo nuestra propia Vía Láctea, hay objetos compactos con masas que van desde millones hasta miles de millones de veces la masa del Sol. Estos objetos son demasiado masivos y compactos para ser explicados por agrupaciones de estrellas u otros objetos conocidos, y sus propiedades coinciden con las esperadas para los agujeros negros supermasivos. La mejor evidencia proviene de observaciones de estrellas que orbitan el Centro Galáctico, lo que ha permitido a los astrónomos medir la masa y el tamaño del objeto central con gran precisión.

3. Ondas gravitacionales: Como se mencionó anteriormente, las señales de ondas gravitacionales detectadas por LIGO y Virgo coinciden con las predicciones de la fusión de agujeros negros. Las masas, giros y otras propiedades inferidas de estas señales son consistentes con agujeros negros e inconsistentes con otros objetos compactos como estrellas de neutrones.

4. Telescopio de Horizonte de Sucesos: En 2019, la colaboración del Telescopio de Horizonte de Sucesos presentó la primera imagen directa de un agujero negro. Al enlazar radiotelescopios de todo el mundo para formar un telescopio virtual del tamaño de la Tierra, pudieron resolver el horizonte de sucesos del agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia M87. El tamaño y la forma observados de la sombra del agujero negro coincidieron con las predicciones de la relatividad general, brindando una impresionante confirmación visual de la teoría.

La evidencia observacional de los agujeros negros es ahora tan sólida que se considera su existencia casi cierta. Proporcionan algunas de las pruebas más extremas de la relatividad general, sondeando la teoría en regiones de fuerte curvatura y altas velocidades. Hasta ahora, la relatividad general ha superado todas estas pruebas, consolidando aún más su estatus como nuestra mejor teoría de la gravedad.

Conclusión

Un siglo después de su nacimiento, la relatividad general sigue siendo nuestra teoría de la gravedad más precisa y probada. Desde las pruebas clásicas propuestas por Einstein hasta las observaciones punteras de las ondas gravitacionales y los agujeros negros, la teoría ha sido sometida a pruebas cada vez más precisas y rigurosas, y ha salido victoriosa en cada ocasión.

La confirmación de la relatividad general no es solo un triunfo para la propia teoría, sino para el método científico en su conjunto. La relatividad general hizo varias predicciones audaces y contraintuitivas que diferían notablemente de la gravedad newtoniana y del sentido común. Sin embargo, cuando estas predicciones fueron sometidas a pruebas mediante experimentos y observaciones cuidadosamente diseñados, se encontró que eran correctas. Esta es la esencia de la ciencia: hacer predicciones comprobables y permitir que la naturaleza sea el árbitro final de la verdad.

Por supuesto, ninguna teoría científica es completa o final. Aún hay muchas preguntas abiertas y problemas sin resolver.