Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la luz siente la influencia de la gravedad al igual que la materia. Una consecuencia de esta teoría, basada en el Principio de Equivalencia, es que la luz que escapa de una región con fuerte gravedad pierde energía en su camino, de forma que su longitud de onda se vuelve más roja. Este fenómeno se conoce como desplazamiento al rojo (o redshift) gravitatorio. La medida de este efecto es un test fundamental de la teoría de la gravitación de Einstein. Hasta ahora el test se había aplicado exclusivamente en regiones del Universo muy cercanas a nosotros. Gracias al uso de un nuevo procedimiento experimental, científicos del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de la Universidad de Granada (UGR) han sido capaces de medir el redshift gravitatorio en cuásares y extender el test a regiones muy lejanas, cuya luz fue emitida cuando nuestro Universo era muy joven.

El Principio de Equivalencia de Einstein es la piedra angular de la Teoría General de la Relatividad de Einstein que constituye nuestra descripción actual de la gravedad y es uno de los pilares fundamentales de la física moderna. Dicho principio establece que no hay experimentos que permitan distinguir entre la existencia de un campo gravitatorio o un movimiento acelerado del observador y predice, entre otras cosas, que la luz emitida desde un campo gravitatorio intenso debe experimentar un corrimiento medible hacia la parte menos energética (más roja) del espectro, un efecto conocido como desplazamiento al rojo o redshift.

Esta predicción ha sido confirmada de forma fehaciente en las proximidades de la Tierra, desde las primeras mediciones de R.V. Pound y G. A. Rebka en Harvard en 1959 hasta los mas recientes experimentos basados en satélites. También se ha confirmado mediante observaciones astronómicas en el Sol y en algunas estrellas como la cercana Sirio B o S2, próxima al centro de la Vía Láctea. Pero su confirmación fuera de nuestra galaxia se ha mostrado elusiva y apenas ha podido ser comprobada, con complejas medidas poco precisas, en cúmulos galácticos vecinos situados a distancias relativamente cercanas a escala cosmológica.

La causa de esta ausencia de comprobaciones en el Universo más lejano es la dificultad de medir el desplazamiento al rojo ya que, en la mayoría de las situaciones, el efecto de la gravedad sobre la luz es muy pequeño. Por eso, los agujeros negros gigantes, que generan extraordinarios campos gravitatorios, proporcionan uno de los escenarios más prometedores para poder medir el desplazamiento al rojo gravitatorio. Estos agujeros negros supermasivos habitan en el centro de las galaxias y, en particular, de los extraordinariamente luminosos y lejanos cuásares.

Un cuásar es un objeto celeste de engañosa apariencia estelar, pero que está situado a enormes distancias, por lo que la luz que recibimos fue emitida cuando el Universo era mucho más joven. Esto implica que son excepcionalmente luminosos. El origen de su extraordinario brillo es un disco de material caliente que está siendo engullido por un enorme agujero negro supermasivo de forma que, en una región muy pequeña, de apenas unos días luz de tamaño, se genera una ingente cantidad de energía.

En las proximidades del agujero negro hay un campo gravitatorio muy intenso y, por tanto, estudiando el espectro de la luz emitida por los elementos químicos que están en esa región (principalmente hidrógeno, carbono y magnesio), cabría esperar medir desplazamientos al rojo gravitatorios muy importantes. Por desgracia, la mayoría de los elementos químicos que hay en los discos de los cuásares también están presentes en regiones mucho más alejadas donde los efectos de la gravedad son muy pequeños y la luz recibida de estos elementos es una mezcla en la que no pueden observarse con claridad los desplazamientos al rojo gravitatorios.

Las medidas cubren el 80 % de la historia del Universo

Ahora un equipo de investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y de la Universidad de Granada (UGR) ha encontrado que una parte bien definida de la luz ultravioleta producida por átomos de hierro se emite en una región confinada a las cercanías del agujero negro. “A través de nuestras investigaciones relacionadas con el efecto de lente gravitatoria, otra de las predicciones de la Teoría de la Relatividad General de Einstein, encontramos que una característica espectral del hierro en cuásares parecía provenir de una región muy cercana al agujero negro, explica Evencio Mediavilla, investigador del IAC, profesor de la Universidad de La Laguna (ULL) y autor principal del estudio. "Las medidas del desplazamiento al rojo confirmaron dicho hallazgo”, subraya.

De este modo los investigadores han sido capaces de medir de forma clara y con precisión desplazamientos al rojo gravitatorios en numerosos cuásares y, a través de ello, estimar la masa de los agujeros negros. “Esta técnica supone un avance extraordinario, ya que permite la medida precisa del desplazamiento al rojo gravitatorio incluso de objetos individuales a grandes distancias, lo que abre extraordinarias posibilidades para el futuro”, aclara Mediavilla.

Por su parte, Jorge Jiménez-Vicente, investigador de la UGR y coautor del artículo, destaca las implicaciones de este nuevo procedimiento experimental al poder comparar el desplazamiento al rojo medido con el que cabría esperar de la teoría: “esta técnica permite, por primera vez, poner a prueba el Principio de Equivalencia de Einstein y, con ello, los fundamentos de nuestra comprensión de la gravedad a escalas cosmológicas”.

El test del Principio de Equivalencia realizado por los investigadores se ha basado en medidas que incluyen desde algunas galaxias activas en el universo cercano (unos 13.800 millones de años después del Big Bang) hasta cuásares individuales a grandes distancias, cuya luz fue emitida cuando el Universo tenía tan solo unos 2.200 millones de años, lo que cubre aproximadamente el 80 % de la historia del Universo. “Los resultados, con una precisión comparable a otros experimentos realizados en nuestra galaxia, validan el Principio de Equivalencia a lo largo de este enorme periodo de tiempo”, concluye Jiménez-Vicente.

El estudio ha sido publicado en la revista The Astrophysical Journal y ha sido destacado recientemente por la American Astronomical Society que ha publicado una entrevista a los investigadores en la sección “AAS Journal Author Series” de su canal de YouTube, un reconocido escaparate de actualidad científica cuyo objetivo es conectar a los autores con su artículo, su historia humana y la comunidad astronómica en general.

Artículo: Mediavilla, E.; Jiménez-Vicente, J. (2021): "Testing Einstein's Equivalence Principle and Its Cosmological Evolution from Quasar Gravitational Redshifts". The Astrophysical Journal. 914: 112. DOI: 10.3847/1538-4357/abfb70. arXiv: 2106.11699

Entrevista de la American Astronomical Society:
https://youtu.be/AwPFasJQr2Y

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Evencio Mediavilla: emg [at] iac.es (emg[at]iac[dot]es)