Científicos japoneses encuentran un desajuste en la teoría de la relatividad
Entre todas las fuerzas fundamentales de la
naturaleza la gravedad es, sin duda, la más común. Todos los objetos del
Universo, en efecto, ejercen gravedad, y también la sienten. Pero el hecho de
que forme parte de nuestras vidas cotidianas no impide que la gravedad sea, al
mismo tiempo, la que presenta mayores desafíos a los científicos.
Newton la consideraba una fuerza universal e
instantánea, pero la Relatividad general de Einstein nos enseñó que se trata,
también, de una propiedad derivada de la propia geometría del Universo. En un
Universo en el que el espacio-tiempo se curva y se dobla debido a la masa de
los objetos que contiene, tanto la luz como los planetas o las estrellas y
galaxias no harían más que seguir sus enrevesadas formas y depresiones.
La gravedad, sin embargo, resulta despreciable a
escalas muy pequeñas, en el mundo subatómico, donde reinan las leyes de la
mecánica cuántica. Y por si fuera poco, durante los últimos años numerosos
investigadores se han dado cuenta de que también a escalas muy grandes, cuando
se trata de describir el Cosmos entero, la gravedad parece 'funcionar' de forma
diferente a como lo hace en nuestra propia parcela del Universo.
Y ahora, un nuevo estudio recién publicado en
'Nature Astronomy' acaba de poner a prueba la teoría de Einstein en la mayor de
las escalas. Según escriben en The ConversationKazuya Koyama y Levon Pogosian,
dos de los autores del estudio, «creemos que nuestro enfoque podrá algún día
ayudar a resolver algunos de los mayores misterios de la Cosmología, y los
resultados sugieren que la teoría de la relatividad general puede necesitar ser
modificada a gran escala».
La Mecánica Cuántica predice que lo que llamamos
'espacio vacío' no está vacío en absoluto, sino que está repleto de energía,
que se manifiesta en forma de un 'burbujeo' constante de partículas subatómicas
que entran y salen continuamente de la realidad. Pero según Einstein la energía
del vacío tiene una 'gravedad repulsiva', es decir, que separa el espacio en
lugar de juntarlo. De hecho, en 1998 se descubrió que, efectivamente, el
espacio no solo se está expandiendo, sino que lo hace cada vez más deprisa,
haciendo de nuestro Universo un lugar cada vez más grande a cada segundo que
pasa.
Los científicos han calificado esa energía como
'oscura' pero, al medirla, se han encontrado con la sorpresa de que la cantidad
de energía oscura necesaria para explicar el crecimiento acelerado del Universo
es varios órdenes de magnitud menor de lo que predice la teoría cuántica.
Y ahí, según los investigadores, es donde llega la
gran pregunta: ¿ejerce realmente la energía oscura una fuerza gravitacional
capaz de alterar la expansión del Universo? En caso afirmativo, escriben Koyama
y Pogosian, «¿por qué su gravedad es mucho más débil de lo previsto? Y si el
vacío no gravita en absoluto, ¿qué está causando entonces la aceleración
cósmica? No sabemos qué es la energía oscura, pero debemos suponer que existe
para explicar la expansión del Universo».
Del mismo modo, los científicos asumen que tiene que
existir también un tipo de materia invisible, la llamada materia oscura, que
explique cómo evolucionaron las galaxias y los cúmulos galácticos para que sean
tal y como los observamos hoy. Todo se mueve en el Universo, pero la materia
'normal' contenida por las galaxias (en forma de planetas estrellas y nubes de
polvo y gas), sencillamente no ejerce la gravedad suficiente como para
mantenerlas unidas.
Esa gravedad 'extra' tiene que ser aportada por
algo, y ese algo es la materia oscura. Según el modelo actual, la energía
oscura da cuenta de casi el 70% de todo lo que hay en el Universo y la materia
oscura de otro 25%. Por lo que a la materia ordinaria, la que podemos ver como
galaxias y estrellas, solo abarca un escaso 5%. Hasta ahora, el modelo se ha
ajustado notablemente bien a todos los datos recopilados por los cosmólogos
durante los últimos 20 años.
En resumen, en su inmensa mayor parte (un 95%) el
Universo está compuesto por fuerzas y sustancias 'oscuras', con valores tan
extraños y a veces sin sentido que los científicos han empezado a preguntarse
si la teoría de la gravedad de Einstein necesita ser modificada para ser capaz
de describir todo el Universo.
En su estudio, y para averiguar si la gravedad es
correcta en las escalas más grandes, los investigadores investigaron al mismo
tiempo, por primera vez, tres de sus aspectos principales: la expansión del
Universo, los efectos de la gravedad sobre la luz y los efectos de la gravedad
sobre la materia. «Utilizando un método estadístico conocido como inferencia
bayesiana -escriben los científicos-, reconstruimos la gravedad del Universo a
través de la historia cósmica en un modelo informático basado en estos tres
parámetros». Parámetros que estimaron usando los datos del Fondo Cósmico de
Microondas del satélite Planck, los catálogos de supernovas y las observaciones
de las formas y distribución de galaxias distantes de los telescopios SDSS y
DES.
Después, compararon su modelo con el de Einstein, y
lo que hallaron fue «un posible desajuste con la predicción de Einstein» lo que
implica la posibilidad de que realmente la gravedad funcione 'de un modo
diferente' en las escalas más grandes, por lo que sería necesario modificar la
teoría general de la relatividad.
«La solución completa -escriben Koyama y Pogosian en
The Conversation- probablemente requeriría un nuevo ingrediente en el modelo
cosmológico, presente antes del momento en que los protones y electrones se
combinaron por primera vez para formar hidrógeno justo después del Big Bang,
algo como una forma especial de materia oscura, un tipo primitivo de energía
oscura, o campos magnéticos primordiales«.
De un modo u otro, el estudio ha demostrado que es
posible poner a prueba la validez de la relatividad general a grandes
distancias utilizando datos de observación. Lo cual, según los investigadores,
«significa que podremos utilizar estos métodos estadísticos para continuar
ajustando la relatividad general, explorando los límites de las modificaciones
y allanar el camino para resolver algunos de los desafíos abiertos en
cosmología».
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