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Relatividad en la órbita Mercuriana y en torno a Sgr.A*

En escenarios donde hay grandes energías involucradas, la Relatividad explica los eventos que allí se producen.
En esos ambientes, las grandes velocidades involucradas producen variaciones en las medidas de las masas, y en las escalas de tiempo y espacio. Así, se espera observar alteraciones en las trayectorias de los cuerpos sometidos a esas condiciones.

Primero fue el caso de Mercurio.
Se observaron variaciones en su punto más cercano al Sol (perihelio), lugar donde desarrolla la máxima velocidad orbital. Al principio, la variaciones en su trayectoria fueron asociadas a perturbaciones provocadas por Vulcano, un supuesto planeta interior a la órbita Mercuriana.
Pero las correcciones relativísticas se ajustaban a las observaciones y se explicó lo observado; esto pasó a ser una evidencia de la validez de la Relatividad (Molwick, Precesión anómala del perihelio de mercurio, J. Tiberius, http://www.molwick.com/es/leyes-gravitacionales/177-mecanica-celeste-mercurio.html).

En el centro de la Vía Láctea, a unos 25 mil años luz de casa, vive Sagitarius A* (Sgr.A*), nuestro agujero negro supermasivo de unos 4 millones de masas como la del Sol.
En torno a Él, orbitan estrellas a altísimas velocidades; entre ellas, la catalogada como S2.
Su órbita calculada “clásicamente” no coincide con las observaciones, las que son ajustadas perfectamente con las correcciones relativísticas.

Otra vez queda verificada esta teoría, en este caso, en lo que se refiere a las órbitas de objetos que aceleran a grandes velocidades en sus periastros.

Image of the Galactic Centre

ESO/MPE/S. Gillessen et al.

Estudios de tipo de esta estrella seguirán en el año 2018 cuando S2 alcance su periastro en torno a Sgr.A* y logre su máxima velocidad orbital.

Referencia:

Fuente:

pdp.

Pequeñas fluctuaciones del espacio-tiempo podrían explicar la naturaleza de la energía obscura.

La energía obscura es la responsable de que el Universo esté acelerando su expansión.
Se ha buscado muchos orígenes de ésta, incluso se propuso un modelo de Universo en rotación para explicarla. En ese modelo, la aceleración centrífuga sería la responsable de la aceleración observada en la expansión (pdp, 09/mar./2016, La energía obscura como efecto de un Universo en rotación, https://paolera.wordpress.com/2016/03/09/la-energia-obscura-como-efecto-de-un-universo-en-rotacion/).

universo

Gráfico de las componentes del Universo publicado en Taringa.net

Las dos grandes ramas de la Física no logran explicar su origen. Por un lado, la Relatividad se encarga del estudio de los escenarios donde hay grandes energías donde existen las partículas. Por otro, la cuántica que estudia esas partículas, su naturaleza y propiedades.
Como ambas se desarrollan en diferentes escalas, no se llevan bien a la hora de analizar problemas en común. Por eso es que no se dispone de una teoría cuántica de la gravitación y sí de una relativística.

La energía del vacío, es una energía de origen cuántico que existe incluso en ausencia de la materia (Wikipedia, Energía del vacío, https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_del_vac%C3%ADo). Así, se la relaciona con la obscura, pero hay ciertas incoherencias.
La energía de vacío tiene características tales que, de ser responsable de la aceleración de la expansión universal, ésta sería más pronunciada que lo observado. Pero claro, no hay otra posible responsable de esta forma de expandirse que tiene el Universo.

Hay una teoría que en un principio ofrece una explicación.
Si el Universo pasara por fluctuaciones u oscilaciones aleatorias en su tramado del espacio-tiempo a escalas muy pequeñas, subatómicas, de miles de millones de veces menores que las dimensiones del electrón; éstas tendrían implicaciones a escalas mayores.
Haciendo los cálculos pertinentes, esas oscilaciones en expansión y contracción, junto con la gravedad y la energía del vacío, terminan arrojando un movimiento neto de expansión lenta pero acelerada con magnitudes coherentes con las observadas.

Referencia:

Fuente:

pdp.

Cuántica y Relatividad no se contradicen.

Se sabe que las propiedades de los sistemas están basadas en las propiedades de sus componentes.
Pero a veces esto parece no cumplirse y aparecen ciertas paradojas.
Las cosas tienen masa dada por la suma de las partículas que la componen. Pero las partículas, se comportan como ondas. Si es así, ¿como entonces la suma de esas ondas dan como resultado a un objeto enorme como por ejemplo… un elefante? ¿Acaso el elefante es una onda resultante? ¿Se pueden interferir entre ellos y obtener un elefante mayor o anularse?

paradoja

Imagen publicada en CookingIdeas

Hay evidencias de que las partículas se comportan de una manera cuando las observamos y de otra cuando no lo hacemos. Como si se manifestaran para nosotros. Eso va en contra del concepto de realidad que establece que las cosas siguen siendo iguales aunque no las veamos.

El tiempo de Planck es el menor intervalo de tiempo en el que aún podemos aplicar las leyes de la Física y estudiar el Universo (https://es.wikipedia.org/wiki/Tiempo_de_Planck). La distancia que recorre la luz en se tiempo se la longitud de Planck, por debajo de la cual la geometría del espacio deja de ser clásica o como la entendemos (https://es.wikipedia.org/wiki/Longitud_de_Planck).
Luego, y como la velocidad de la luz es invariante, la longitud de Planck también lo es.
Pero una regla orientada en la dirección del movimiento debería contraerse según lo dice la Relatividad; así entonces, la longitud de Planck no sería invariante, al menos en la dirección del movimiento.
¿Qué está pasando?
Muy fácil; estamos mezclando las cosas.
La Física no es constructivista como la Matemática que se arma sobre ella misma.
La Física se desarma y rearma para explicar lo que se observa. Se crean ramas y teorías para aplicar en diferentes casos.
Así es como la Relatividad estudia las regiones donde hay grandes energías y se dan grandes velocidades. Se da la mano con la Gravitación dando origen a ideas gravitacionales relativísticas (https://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_relativista_de_la_gravitaci%C3%B3n).
La cuántica, en cambio, se dedica a las partículas, al Universo microscópico donde viven.
Cuántica y Relatividad estudian escenarios deferentes, por eso es tan difícil unirlas.
Es una cuestión de escalas. Aplicamos la rama de la Física que mejor explica los eventos en la escala en que se dan.
Ninguna contradice a la otra, sólo hay que aplicar lo que corresponde (ver Una asombrosa y mala demostración, pdp, 22/abr./2015, https://paolera.wordpress.com/2015/04/22/una-asombrosa-y-mala-demostracion/).
Si fuéramos microscópicos, veríamos un Universo cuántico, la Cuántica sería algo corriente para nosotros. Si en cambio fuéramos enormes y capaces de movernos a velocidades fantásticas, la Relatividad sería algo común en nuestra existencia. Pero somos como somos, y la Física clásica explica bien los eventos que nos rodean, hasta que nos metemos en problemas de otras escalas.

El día que se puedan unir en una teoría generalizda se responderán muchas paradojas y hasta podríamos tener una teoría de la Gravitación Cuántica (https://es.wikipedia.org/wiki/Gravedad_cu%C3%A1ntica).

En el sistema GPS, se aplica Relatividad.

En Relatividad, existe “la dilatación del tiempo [1]”. Cuando dos observadores miden intervalos de tiempo de un evento, el que mide en reposo respecto del sistema donde se producen los eventos, medirá intervalos más largos que el que está en movimiento relativo a ese sistema.
O sea que si una persona lleva un reloj mientras viaja, para él los segundos serán los de siempre, pero para el que lo ve en movimiento, los segundos serán más cortos. El que está en movimiento dilató su escala de tiempo. Si podríamos ver el reloj en una nave espacial desde la Tierra (con un telescopio) lo veríamos evolucionar lentamente, cada vez más lento contra más rápido se mueva la nave.
Se modifica la escala, al tiempo nada le pasa, sólo varía su medida.

Esa dilatación depende también de las distancia al cuerpo que ejerce gravedad. Contra más alto (menor gravedad), más rápido transcurrirá el tiempo porque la escala se achica, dilatándose contra más cerca estemos del centro del cuerpo que ejerce gravedad (mayor gravedad).

Ilustración de un satélite de sistema GPS

Los satélites están a gran altura, bajo la influencia de una gravedad despreciable (pero existente). Además se mueven a gran velocidad. Así es como los relojes instalados en ellos, mostrarán diferencias con los que están en Tierra. Bajo estas condiciones, hay que hacer correcciones relativísticas para coordinarlos. Las medidas de los relojes a bordo de los satélites GPS[2], por ejemplo, deben sufrir correcciones relativísticas; de lo contrario, un avión Jet volando a gran altura y velocidad, podría sufrir desviaciones groseras en su trayectoria con el consabido malgasto de costoso combustible. Aunque en menor escala, lo mismo sucedería cuando viajamos en un automóvil con la ayuda del GPS. Las medidas de derivas continentales, basadas en lecturas de posiciones tomadas con GPS, serían completamente incorrectas.
O sea, la relatividad tiene una aplicación directa en la vida cotidiana.

 


Referencia:

  1. http://es.wikipedia.org/wiki/Dilataci%C3%B3n_del_tiempo
  2. http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_posicionamiento_global

Notas relacionadas:

Fuente:

pdp.

Los Efectos Relativísticos en Exoplanetas, Así se Descubrió el Planeta Einstein

Muchas cosas suceden cuando hay una velocidad (o movimiento) relativa entre un observador y un sistema donde se observa un evento. Estos efectos se dan incluso a bajas velocidades, pero se hacen notables a velocidades muy altas, comparables a la de la luz. Por eso se los llama relativísticos, por pertenecer al campo de la Teoría de la Relatividad de Einstein.

Veamos:

  • La contracción de las barras: Esto implica que las dimensiones medidas a lo largo del movimiento, se verán acortadas, no sucediendo lo mismo con las dimensiones perpendiculares al movimiento. Se altera la forma que podemos ver del objeto.
    (ver: http://es.wikipedia.org/wiki/Contracci%C3%B3n_de_Lorentz)
  • Dilatación de la escala temporal: Las medidas de tiempo de eventos dados en un sistema que se mueve en relación a nosotros se verán dilatadas, o sea que lo que “para ellos” es un segundo (de tiempo), para “nosotros” será más de un segundo. Luego, si entran más de nuestras unidades que de las de ellos, la escala de tiempo observada es mayor. Así, se dilata la escala de tiempo, al tiempo nada le pasa. De esta manera, si vemos por un telescopio a los ocupantes de una nave viajando muy rápido, los veríamos como en “cámara lenta”, cuando en la nave todos se mueven con naturalidad.
    (ver: http://es.wikipedia.org/wiki/Dilataci%C3%B3n_del_tiempo).
  • Efecto Doppler: Si bien el nombre de este efecto corresponde a las ondas de sonido, se puede extender a la luz, aunque su mecanismo se algo diferente que en el caso del sonido. No olvidemos que la velocidad del sonido depende del medio y de la fuente, mientras que la de la luz sólo depende del medio donde viaja. En el caso de la luz, el efecto consiste en ver la luz enrojecida o azulada según la fuente se aleje o acerque.
    (ver: http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Doppler).
  • Aberración: Consiste en la aparente dirección en la que viene la información. Cuando llueve, obviamente el agua viene de arriba y ponemos el paraguas en posición vertical. Si comenzamos a movernos, inclinamos el paraguas hacia adelante porque ahora parece que viene de arriba (como siempre) y adelante, tanto más adelante como más rápido nos movamos. Cuando nos movemos, nos parece que la luz de la estrella viene de una dirección “corrida” hacia la dirección de nuestro movimiento.
    (ver: http://es.wikipedia.org/wiki/Aberraci%C3%B3n_de_la_luz)

Si tenemos en cuenta todos estos efectos cuando hacemos una observación astronómica, veremos un resultado común en aquellos objetos que irradian o reflejan luz mientras se mueven a grandes velocidades.

  1. Veremos la luz del objeto enrojecida o azulada.
  2. Veremos una variación en la intensidad de la luz por dos causas.
    1. Al concentrarse en un cono en la dirección del movimiento del objeto, como si fuera un faro, los observadores dentro de ese cono verán más intensidad que los que no lo están. O sea que un frente de onda (luz que se propaga) esférico, degenera en un cono cuando la fuente se mueve.
    2. La intensidad de la luz depende de la cantidad de fotones que llegan en la unidad de tiempo. Como esa unidad se dilata y los fotones viajan siempre a la misma velocidad, observaremos más fotones por unidad de tiempo, luego, mayor intensidad de la luz.

Todos estos efectos, sobre todo los relacionados con variación de intensidad de luz (como los  casos 2.A y 2.B), son los que se observaron en el exoplaneta Kepler-76b, bautizado “Einstein” o “Planeta de Einstein”, por los cuales fue descubierto y confirmado por otros métodos.
A medida que gira alrededor de su estrella, las variaciones de velocidad radial (en la dirección de observador), implican variaciones en la intensidad de luz (en este caso reflejada).

Para que los exoplanetas presenten estos efectos relativísticos, deben tener una gran velocidad de translación alrededor de su estrella principal, por lo que deben estar cerca de ella y tener gran masa.

Referencias:

  1. El Planeta de Einstein
    http://fisicapasion.blogspot.com.ar/2013/06/el-planeta-de-einstein.html
  2. Kepler-79b
    http://en.wikipedia.org/wiki/Kepler-76b

pdp.