El corrimiento al rojo gravitacional es el fenómeno por el cual la luz (o cualquier radiación electromagnética) pierde energía al ascender desde un pozo gravitatorio, desplazándose hacia el extremo rojo del espectro. Por el contrario, la luz que cae en un pozo gravitatorio gana energía y se desplaza hacia el azul. Esto es una consecuencia directa de la relatividad general de Einstein: la gravedad afecta el flujo del tiempo, y la frecuencia de un fotón está ligada al tic-tac de un reloj en su ubicación. El efecto es diminuto en la superficie terrestre, pero se vuelve significativo cerca de objetos compactos como estrellas de neutrones o agujeros negros, y es una predicción clave que distingue la relatividad general de la gravedad newtoniana.
Historia
El concepto fue predicho por primera vez por Albert Einstein en 1907 y refinado en su teoría general de la relatividad de 1915. La primera medición terrestre fue realizada por Robert Pound y Glen Rebka en 1959, utilizando rayos gamma a lo largo de una torre de 22.5 metros en la Universidad de Harvard.
Cómo funciona
En la relatividad general, un reloj más profundo en un potencial gravitatorio funciona más lento que uno más elevado. Un fotón emitido desde el reloj inferior tiene una frecuencia determinada por ese tic-tac más lento; cuando llega al observador superior, se compara con su reloj más rápido, por lo que parece tener una frecuencia más baja — de ahí el corrimiento al rojo. La pérdida de energía no es un efecto de fricción, sino una consecuencia de la geometría del espacio-tiempo: la trayectoria del fotón a través del espacio-tiempo curvo conserva la energía de una manera que depende de la diferencia de potencial gravitatorio entre la emisión y la recepción.
En la práctica
El corrimiento al rojo gravitacional se tiene en cuenta rutinariamente en los satélites del Sistema de Posicionamiento Global (GPS), donde los relojes en órbita avanzan más rápido que los de la superficie en aproximadamente 38 microsegundos por día; se aplican correcciones para mantener la precisión del posicionamiento.
Dato curioso
El efecto se mide con tanta precisión que los relojes atómicos en la superficie terrestre marcan a ritmos diferentes cuando están separados por apenas un metro de altitud.
Una orquesta sin director puede sonar afinada si los músicos sienten el ritmo común. En el mundo de los sólidos, ese ritmo lo marcan los fonones: los cuantos de las vibraciones de la red cristalina. Cuando los átomos del sustrato comienzan a moverse en círculo, pueden transmitir su rotación a la capa magnética que tienen encima e invertir su magnetización.
La luz que se aleja de un cuerpo masivo pierde fuerza. Su frecuencia disminuye ligeramente y el color se desplaza hacia el rojo. Los físicos llaman a esto corrimiento al rojo gravitacional. En la teoría clásica todo está claro, pero en cuanto hablamos de cuantos, empiezan las dificultades.
Cuando la luz se aleja de un cuerpo masivo, pierde energía: sus ondas se estiran y el color se desplaza hacia el rojo. Esto es el corrimiento al rojo gravitacional, conocido desde los trabajos de Einstein.
En 1956, dos radiotelescopios en Jodrell Bank apuntaron a Sirio, captando no imágenes sino el temblor de la intensidad. El experimento de Hanbury Brown y Twiss (HBT) reveló algo sorprendente: las correlaciones de los fotones entrantes cuentan la estadística de la fuente, si es caótica como una lámpara térmica o coherente como un láser.
Una orquesta gigante donde cada músico es una partícula nacida en el fuego del Big Bang. Cuando la batuta del tiempo da la señal, estas partículas comienzan a desintegrarse, transformándose en otras más ligeras. Cada desintegración va acompañada de un acorde silencioso: la emisión de gravitones, diminutos cuantos de gravedad.
Una piedra cae en un pozo y el chapoteo llega a los oídos con retraso. Algo parecido le ocurre a la luz cuando escapa de la Tierra: sus oscilaciones se vuelven menos frecuentes, el rayo parece «cansarse». Esto es el corrimiento al rojo gravitacional — un fenómeno del que habló Einstein hace cien años.
Un estanque cuyas aguas se agitan en círculos al caer una piedra. Así, a escala del universo: una repentina emisión de energía en el sector oscuro —esa sustancia invisible que no emite luz— genera ondas en el tejido del espacio. Esas ondas alteran el camino de las partículas de luz que viajan hacia nosotros desde el mismísimo nacimiento del cosmos.
Los relojes no son solo agujas. Todo núcleo atómico es un metrónomo natural: oscila con una regularidad casi perfecta. Si se eleva un metrónomo de estos un par de metros, su ritmo se acelera ligeramente: esto es la curvatura del tiempo, predicha por Einstein.
El tiempo fluye más lento cerca del suelo que en el techo — así lo predijo Einstein en la teoría de la relatividad. Para notar esa diminuta diferencia, los físicos proponen usar un par de fotones, enlazados como las voces de un dúo.
El telescopio James Webb ha vislumbrado en el universo temprano un reguero de objetos compactos apodados «pequeños puntos rojos». Son demasiado rojos y demasiado tenues para ser cuásares ordinarios, y los astrofísicos se devanan los sesos tratando de averiguar qué los alimenta.
