La gravedad a escala cósmica no funciona como decía Einstein, afirma un estudio publicado en Nature

Todo en el universo tiene gravedad y también se ve afectado por ella. Sin embargo, la más común de las fuerzas fundamentales es también la que plantea los mayores retos a los físicos. La teoría de la relatividad general de Albert Einstein ha tenido un éxito notable a la hora de describir la gravedad de las estrellas y los planetas, pero no parece aplicarse perfectamente a todas las escalas.

La relatividad general ha superado muchos años de pruebas de observación, desde la medición de Eddington de la desviación de la luz de las estrellas por el Sol en 1919 hasta la reciente detección de las ondas gravitacionales. Sin embargo, empiezan a aparecer lagunas en nuestra comprensión cuando intentamos aplicarla a distancias extremadamente pequeñas, donde operan las leyes de la mecánica cuántica, o cuando intentamos describir el universo entero.

Nuestro nuevo estudio, publicado en Nature Astronomy, ha puesto a prueba la teoría de Einstein en la mayor de las escalas. Creemos que nuestro enfoque puede ayudar a resolver algún día algunos de los mayores misterios de la cosmología, y los resultados apuntan a que la teoría de la relatividad general puede necesitar arreglarse a esta escala.

¿Modelo defectuoso?

La teoría cuántica predice que el espacio vacío, el vacío, está repleto de energía. No notamos su presencia porque nuestros aparatos sólo pueden medir los cambios de energía y no su cantidad total.

Sin embargo, según Einstein, la energía del vacío tiene una gravedad repulsiva: empuja el espacio vacío y lo separa. Curiosamente, en 1998 se descubrió que la expansión del universo se está acelerando (un hallazgo premiado con el premio Nobel de Física de 2011). Sin embargo, la cantidad de energía del vacío — o energía oscura como se la ha denominado — necesaria para explicar la aceleración es muchos órdenes de magnitud menor de lo que predice la teoría cuántica.

De ahí que la gran pregunta, apodada "el viejo problema de la constante cosmológica", sea si la energía del vacío realmente gravita, ejerciendo una fuerza gravitacional y cambiando la expansión del universo.

En caso afirmativo, ¿por qué su gravedad es mucho más débil de lo previsto? Si el vacío no gravita en absoluto, ¿qué está causando la aceleración cósmica?

No sabemos qué es la energía oscura, pero tenemos que suponer que existe para explicar la expansión del universo. Del mismo modo, también tenemos que suponer que existe un tipo de materia invisible, denominada materia oscura, para explicar cómo evolucionaron las galaxias y los cúmulos hasta ser como los observamos hoy.

Estas suposiciones forman parte de la teoría cosmológica estándar de los científicos, llamada modelo de materia oscura fría lambda (LCDM), que sugiere que hay un 70% de energía oscura, un 25% de materia oscura y un 5% de materia ordinaria en el cosmos. Este modelo ha tenido un éxito notable al ajustarse a todos los datos recogidos por los cosmólogos en los últimos 20 años.

Pero el hecho de que la mayor parte del universo esté formada por fuerzas y sustancias oscuras, que toman valores extraños que no tienen sentido, ha llevado a muchos físicos a preguntarse si la teoría de la gravedad de Einstein necesita ser modificada para describir todo el universo.

Un nuevo giro apareció hace unos años cuando se puso de manifiesto que las distintas formas de medir la tasa de expansión cósmica, denominada constante de Hubble, dan respuestas diferentes, un problema conocido como la tensión de Hubble.

El desacuerdo, o tensión, se produce entre dos valores de la constante de Hubble. Uno es el número predicho por el modelo cosmológico LCDM, que se ha desarrollado para ajustarse a la luz sobrante del Big Bang (la radiación cósmica del fondo de microondas). El otro es el índice de expansión medido al observar la explosión de estrellas conocidas como supernovas en galaxias lejanas.

Se han propuesto muchas ideas teóricas para modificar la LCDM y explicar la tensión de Hubble. Entre ellas se encuentran las teorías alternativas de la gravedad.

Buscando respuestas

Podemos diseñar pruebas para comprobar si el universo obedece las reglas de la teoría de Einstein. La relatividad general describe la gravedad como la curvatura o deformación del espacio y el tiempo, doblando los caminos por los que viajan la luz y la materia. Y, lo que es más importante, predice que las trayectorias de los rayos de luz y de la materia deben ser curvadas por la gravedad de la misma manera.

Junto con un equipo de cosmólogos, pusimos a prueba las leyes básicas de la relatividad general. También exploramos si la modificación de la teoría de Einstein podría ayudar a resolver algunos de los problemas abiertos de la cosmología, como la tensión de Hubble.

Para averiguar si la relatividad general es correcta a grandes escalas, nos propusimos, por primera vez, investigar simultáneamente tres aspectos de la misma. Se trata de 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, reconstruimos la gravedad del universo a través de la historia cósmica en un modelo informático basado en estos tres parámetros. Pudimos estimar los parámetros utilizando los datos del fondo cósmico de microondas del satélite Planck, los catálogos de supernovas y las observaciones de las formas y la distribución de las galaxias lejanas realizadas por los telescopios SDSS y DES. A continuación, comparamos nuestra reconstrucción con la predicción del modelo LCDM (esencialmente el modelo de Einstein).

Encontramos indicios interesantes de un posible desajuste comparado a la predicción de Einstein, aunque con una significación estadística bastante baja. Esto significa que, no obstante, existe la posibilidad de que la gravedad funcione de forma diferente a grandes escalas, y que la teoría de la relatividad general puede necesitar ser modificada.

Nuestro estudio también ha revelado que es muy difícil resolver el problema de la tensión de Hubble cambiando únicamente la teoría de la gravedad. La solución completa requeriría probablemente un nuevo ingrediente en el modelo cosmológico, presente antes del momento en que protones y electrones se combinaron por primera vez para formar hidrógeno justo después del Big Bang, como una forma especial de materia oscura, un tipo temprano de energía oscura o campos magnéticos primordiales. O, tal vez, hay un error sistemático aún desconocido en los datos.

Dicho esto, nuestro estudio ha demostrado que es posible probar la validez de la relatividad general sobre distancias cosmológicas utilizando datos observacionales. Aunque todavía no hemos resuelto el problema de Hubble, dentro de unos años tendremos muchos más datos procedentes de nuevas sondas.

Esto significa que podremos utilizar estos métodos estadísticos para seguir retocando la relatividad general, explorando los límites de las modificaciones, y así allanar el camino hacia la resolución de algunos de los retos que permanecen abiertos en la cosmología.

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Kazuya Koyama es astrofísico y profesor de cosmología de la University of Portsmouth, especializado en la cosmología teórica. Estudia el origen de la estructura en nuestro Universo y prueba los primeros modelos del universo utilizando las propiedades estadísticas del fondo cósmico de microondas y la estructura a gran escala del Universo. También investiga la aceleración tardía del Universo. En particular, la posibilidad de darse cuenta de la aceleración tardía del tiempo modificando la relatividad general en escalas cosmológicas y desarrollando pruebas cosmológicas de gravedad.

Levon Pogosian es astrofísico y profesor de física en la Simon Fraser University. Trabaja en cosmología teórica, investigando el fondo cósmico de microondas, la estructura a gran escala, la energía oscura, las pruebas cosmológicas de gravedad, los campos magnéticos primordiales y los defectos topológicos como las cuerdas cósmicas, las paredes de dominio y los monopolios magnéticos.

Este artículo ha sido traducido y publicado en Novaceno con licencia Creative Commons. Puede leer el artículo original aquí.