Velocidad de la gravedad
AntecedentesEditar
La relatividad general predice que la radiación gravitatoria debe existir y propagarse como una onda a la velocidad de la luz: Un campo gravitatorio débil y de evolución lenta producirá, según la relatividad general, efectos como los de la gravitación newtoniana (no depende de la existencia de gravitones, mencionados anteriormente, ni de ninguna partícula portadora de fuerza similar).
Desplazar súbitamente una de las dos partículas que interactúan gravitólicamente provocaría, tras un retardo correspondiente a la velocidad de la luz, que la otra sintiera la ausencia de la partícula desplazada: las aceleraciones debidas al cambio de momento cuadrupolar de los sistemas estelares, como la binaria de Hulse-Taylor, han eliminado mucha energía (casi el 2% de la energía de nuestro propio Sol) en forma de ondas gravitatorias, que teóricamente viajarían a la velocidad de la luz.
Dos conjuntos de partículas que interactúan gravitatoriamente, por ejemplo dos planetas o estrellas que se mueven a velocidad constante uno respecto al otro, sienten cada uno una fuerza hacia la posición instantánea del otro cuerpo sin un retraso de la velocidad de la luz porque la invariancia de Lorentz exige que lo que ve un cuerpo en movimiento en un campo estático y lo que ve un cuerpo en movimiento que emite ese campo sean simétricos.
El hecho de que un cuerpo en movimiento no vea ninguna aberración en un campo estático que emana de un «cuerpo inmóvil» hace que la invariancia de Lorentz exija que en el marco de referencia del cuerpo previamente en movimiento las líneas de campo del cuerpo emisor (ahora en movimiento) no se retrasen ni se aberren a distancia. Los cuerpos cargados en movimiento (incluyendo los cuerpos que emiten campos gravitacionales estáticos) exhiben líneas de campo estáticas que no se curvan con la distancia y no muestran efectos de retardo de la velocidad de la luz, vistos desde cuerpos que se mueven con respecto a ellos.
En otras palabras, dado que el campo gravitoeléctrico es, por definición, estático y continuo, no se propaga. Si dicha fuente de un campo estático se acelera (por ejemplo, se detiene) con respecto a su marco de velocidad antes constante, su campo distante sigue actualizándose como si el cuerpo cargado continuara con velocidad constante. Este efecto hace que los campos distantes de las cargas en movimiento no aceleradas parezcan «actualizarse» instantáneamente para su movimiento de velocidad constante, visto desde posiciones distantes, en el marco en el que la fuente-objeto se mueve a velocidad constante. Sin embargo, como se ha discutido, este es un efecto que puede ser eliminado en cualquier momento, mediante la transición a un nuevo marco de referencia en el que el cuerpo cargado distante está ahora en reposo.
El componente gravitoeléctrico estático y continuo de un campo gravitatorio no es un componente gravitomagnético (radiación gravitatoria); véase la clasificación de Petrov. El campo gravitoeléctrico es un campo estático y, por tanto, no puede transmitir superlumínicamente información cuantizada (discreta), es decir, no podría constituir una serie bien ordenada de impulsos portadores de un significado bien definido (esto es igual para la gravedad y el electromagnetismo).
Aberración de la dirección del campo en la relatividad general, para un observador débilmente aceleradoEditar
La velocidad finita de la interacción gravitatoria en la relatividad general no conduce a los tipos de problemas con la aberración de la gravedad que preocupaban a Newton originalmente, porque no hay tal aberración en los efectos del campo estático. Dado que la aceleración de la Tierra con respecto al Sol es pequeña (lo que significa, con una buena aproximación, que los dos cuerpos pueden considerarse que viajan en línea recta uno junto al otro con una velocidad invariable), los resultados orbitales calculados por la relatividad general son los mismos que los de la gravedad newtoniana con acción instantánea a distancia, porque están modelados por el comportamiento de un campo estático con movimiento relativo de velocidad constante, y sin aberración para las fuerzas implicadas. Aunque los cálculos son considerablemente más complicados, se puede demostrar que un campo estático en relatividad general no sufre problemas de aberración visto por un observador no acelerado (o un observador débilmente acelerado, como la Tierra). De forma análoga, el «término estático» en la teoría del potencial electromagnético de Liénard-Wiechert de los campos de una carga en movimiento no sufre ni aberración ni retardo posicional. Sólo el término correspondiente a la aceleración y a la emisión electromagnética en el potencial de Liénard-Wiechert muestra una dirección hacia la posición retrasada en el tiempo del emisor.
De hecho, no es muy fácil construir una teoría de la gravedad autoconsistente en la que la interacción gravitatoria se propague a una velocidad distinta a la de la luz, lo que complica la discusión de esta posibilidad.
Convenciones fórmulasEditar
En la relatividad general el tensor métrico simboliza el potencial gravitatorio, y los símbolos de Christoffel de la variedad del espaciotiempo simbolizan el campo de fuerza gravitatorio. El campo gravitatorio de marea se asocia a la curvatura del espaciotiempo.
MedicionesEditar
Para el lector que desee un fondo más profundo, una revisión completa de la definición de la velocidad de la gravedad y su medición con técnicas astrométricas de alta precisión y otras aparece en el libro de texto Mecánica Celeste Relativista en el Sistema Solar.
La velocidad de la gravedad (más correctamente, la velocidad de las ondas gravitacionales) puede calcularse a partir de las observaciones de la tasa de desintegración orbital de los púlsares binarios PSR 1913+16 (el sistema binario Hulse-Taylor mencionado anteriormente) y PSR B1534+12. Las órbitas de estos púlsares binarios decaen debido a la pérdida de energía en forma de radiación gravitacional. La tasa de esta pérdida de energía («amortiguación gravitacional») puede medirse y, dado que depende de la velocidad de la gravedad, la comparación de los valores medidos con la teoría muestra que la velocidad de la gravedad es igual a la velocidad de la luz con una precisión del 1%. Sin embargo, según la configuración del formalismo de la PPN, la medición de la velocidad de la gravedad mediante la comparación de los resultados teóricos con los experimentales dependerá de la teoría; el uso de una teoría distinta a la de la relatividad general podría, en principio, mostrar una velocidad diferente, aunque la existencia del amortiguamiento gravitatorio en absoluto implica que la velocidad no puede ser infinita.
Ocultación joviana del QSO J0842+1835 (impugnada)
En septiembre de 2002, Sergei Kopeikin y Edward Fomalont anunciaron que habían medido la velocidad de la gravedad de forma indirecta, utilizando sus datos de la medición VLBI de la posición retardada de Júpiter en su órbita durante el tránsito de Júpiter a través de la línea de visión del cuásar fuente de radio brillante QSO J0842+1835. Kopeikin y Fomalont llegaron a la conclusión de que la velocidad de la gravedad es entre 0,8 y 1,2 veces la velocidad de la luz, lo que sería totalmente coherente con la predicción teórica de la relatividad general de que la velocidad de la gravedad es exactamente igual a la velocidad de la luz.
Varios físicos, entre ellos Clifford M. Will y Steve Carlip, han criticado estas afirmaciones alegando que han interpretado supuestamente mal los resultados de sus mediciones. En particular, antes del tránsito real, Hideki Asada, en un artículo de la revista Astrophysical Journal Letters, teorizó que el experimento propuesto era esencialmente una confirmación indirecta de la velocidad de la luz en lugar de la velocidad de la gravedad.
Es importante tener en cuenta que ninguno de los que debaten en esta controversia está afirmando que la relatividad general es «errónea». Más bien, la cuestión debatida es si Kopeikin y Fomalont han proporcionado realmente otra verificación de una de sus predicciones fundamentales.
Kopeikin y Fomalont, sin embargo, siguen argumentando enérgicamente su caso y la forma de presentar su resultado en la conferencia de prensa de la Sociedad Astronómica Americana (AAS) que se ofreció después de que los resultados del experimento joviano hubieran sido revisados por los expertos del comité científico organizador de la AAS. En una publicación posterior de Kopeikin y Fomalont, que utiliza un formalismo bimétrico que divide el cono nulo del espacio-tiempo en dos -uno para la gravedad y otro para la luz-, los autores afirmaron que la afirmación de Asada era teóricamente infundada. Los dos conos nulos se superponen en la relatividad general, lo que dificulta el seguimiento de los efectos de la velocidad de la gravedad y requiere una técnica matemática especial de potenciales gravitacionales retardados, que fue elaborada por Kopeikin y sus coautores, pero que nunca fue empleada adecuadamente por Asada y/o los otros críticos.
Stuart Samuel también demostró que el experimento no midió realmente la velocidad de la gravedad porque los efectos eran demasiado pequeños para haberlos medido. Una respuesta de Kopeikin y Fomalont cuestiona esta opinión.
GW170817 y la desaparición de dos estrellas de neutrones
La detección de GW170817 en 2017, la finalé de una inspiral de estrella de neutrones observada tanto a través de ondas gravitacionales como de rayos gamma, proporciona actualmente el mejor límite, con diferencia, de la diferencia entre la velocidad de la luz y la de la gravedad. Se detectaron fotones 1,7 segundos después del pico de emisión de las ondas gravitacionales; suponiendo un retraso de cero a 10 segundos, la diferencia entre las velocidades de las ondas gravitacionales y electromagnéticas, vGW – vEM, se restringe a entre -3×10-15 y +7×10-16 veces la velocidad de la luz.
Esto también excluyó algunas alternativas a la relatividad general, incluyendo variantes de la teoría del tensor escalar, instancias de la teoría de Horndeski, y la gravedad de Hořava-Lifshitz.