El experimento que pondrá a prueba la teoría de la relatividad por última vez

Un equipo de científicos asegura haber desarrollado una serie de experimentos que les ayudarán a corroborar o descartar la famosa teoría de la relatividad general de Albert Einstein y lo que pensamos sobre la materia oscura y la expansión del universo.

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Einstein presentó su teoría de la relatividad general en 1915 y desde entonces se ha convertido en nuestra mejor manera de explicar los efectos de la gravedad a escala cósmica. Sin embargo, la teoría sigue generando dudas entre la comunidad científica por su encaje con fenómenos como la materia y la energía oscuras, que representan alrededor del 95% de la energía y la materia presente en el universo y que siguen siendo uno de los grandes misterios de la física.

Para intentar arrojar luz sobre este tema, un equipo internacional de científicos ha propuesto una serie de experimentos que comparten un método inédito hasta ahora y que han publicado recientemente en la revista Nature Astronomy. "[Anteriormente] sólo sabíamos medir la velocidad de los objetos celestes y la suma de la distorsión del tiempo y el espacio", explica Camille Bonvin, autora principal del estudio y profesora asociada de la Universidad de Ginebra, en declaraciones para Live Science. Aunque ahora, dice, "hemos desarrollado un método para acceder a esta medida adicional y es la primera vez [que eso ocurre]".

Cómo funciona

La teoría de la relatividad general sostiene que la gravedad es el resultado de la deformación del tejido del espacio y el tiempo debido a la presencia de una masa. El tiempo, propone Einstein, transcurre más despacio cerca de un objeto masivo que en el vacío del espacio, lo que se conoce como distorsión temporal.

"La distorsión del tiempo existe en todas las teorías modernas de la gravedad", afirma Bonvin. "Sin embargo, la amplitud de la distorsión temporal, cuánto ralentiza el tiempo debido a la presencia de un objeto masivo, varía de una teoría a otra".

Lo que proponen ahora los investigadores para medir esa distorsión temporal es calcular el cambio en la frecuencia en la luz que emite un objeto cuando se aleja de nosotros, lo que se conoce como corrimiento al rojo. Lo innovador ahora, dicen, es que su técnica mide el corrimiento al rojo que se produce cuando la luz intenta salir de un pozo gravitatorio, el hundimiento en el espacio-tiempo creado por un objeto masivo. Este es un enfoque novedoso que puede explicar tanto la naturaleza de la materia oscura como la expansión del universo.

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"Este ascenso cambia la frecuencia de la luz porque el tiempo transcurre a diferente velocidad dentro y fuera del pozo gravitatorio. Como consecuencia, el color de la luz cambia y se desplaza hacia el rojo. Midiendo el corrimiento al rojo gravitacional, obtenemos una medida de la distorsión del tiempo", explica Bonvin. "La distorsión del tiempo que predice la relatividad general ya se ha medido con gran precisión a pequeñas distancias. Se ha medido en aviones que vuelan alrededor de la Tierra, en estrellas de nuestra galaxia y también en cúmulos de galaxias. Proponemos un método para medir la distorsión del tiempo a distancias muy grandes".

Las teorías de Einstein y Euler a prueba

Para Einstein, las distorsiones del tiempo y del espacio son iguales, aunque otras teorías sobre la gravedad apuntan a que eso no es siempre así. La nueva técnica, dicen sus creadores, puede medir la distorsión del tiempo y compararla con la distorsión del espacio, lo que les permitirá comprobar la validez de lo que propone la teoría de la relatividad general.

El equipo también cree que el nuevo método podría poner a prueba otra de las principales teorías actuales sobre el cosmos, la fórmula de Euler, que permite calcular el movimiento de las galaxias. Las técnicas de medición de la distorsión del tiempo que proponen Bonvin y su equipo podrían demostrar si la materia oscura obedece a la ecuación de Euler, como proponen estudios anteriores.

"Nunca hemos observado directamente una partícula de materia oscura. Sólo hemos sentido su presencia gravitatoriamente", afirma Bonvin. "En consecuencia, no sabemos si la materia oscura obedece a la ecuación de Euler. Es muy posible que la materia oscura se vea afectada por fuerzas o interacciones adicionales en nuestro universo, además de la gravedad. Si este es el caso, entonces la materia oscura no obedecerá la ecuación de Euler".

Un enorme laboratorio cósmico

Los investigadores llevarán a cabo sus experimentos usando tres herramientas. La primera es el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), situado en Arizona, EEUU, que lleva ya cinco años recibiendo y procesando datos para intentar medir el efecto de la energía oscura en la expansión del universo. El segundo es el telescopio espacial EUCLID, que lanzará este mismo mes la Agencia Espacial Europea (ESA) y que busca cartografiar la geometría del Universo para intentar comprender la naturaleza de la materia y energía oscuras. Finalmente, la tercera herramienta que usarán será el radiotelescopio gigante SKA (Square Kilometre Array), situado en Sudáfrica y Australia, que se estima estará finalizado entre 2028 o 2029.

"Esto nos permitirá descubrir si existen en el Universo nuevas fuerzas o materia que violen estas dos teorías", explica para The Debrief, Levon Pogosian, coautor del estudio y profesor del Departamento de Física de la Universidad Simon Fraser de Canadá.

Los investigadores ya han probado con éxito su modelo en los catálogos sintéticos de galaxias y ahora comenzarán a trabajar con los primeros datos suministrados por DESI. El equipo se muestra optimista y considera que sea cual sea el resultado de sus experimentos dará resultados significativos y pueden incluso encontrar algo nunca visto hasta ahora.

"Si la distorsión del tiempo (que medimos con estas herramientas) no es igual a la suma del tiempo y el espacio -es decir, el resultado producido por la teoría de la relatividad general-, esto significa que el modelo de Einstein no funciona", explican los investigadores. "Si la distorsión temporal no se corresponde con la velocidad de las galaxias calculada con la ecuación de Euler, significa que esta última no es válida".