Todo en el universo tiene gravedad, y también la siente. Pero esta, la más común de todas las fuerzas fundamentales, es también la que presenta a los físicos los mayores desafíos. La teoría general de la relatividad de Albert Einstein tuvo un éxito notable al describir las fuerzas gravitatorias de las estrellas y los planetas, pero no parece aplicarse perfectamente a todas las escalas.
La relatividad general ha pasado las pruebas de observación durante muchos años desde la medición de Eddington. (se abre en una pestaña nueva) desde la desviación de la luz de las estrellas por el Sol en 1919 hasta el reciente descubrimiento de las ondas gravitacionales (se abre en una pestaña nueva). Sin embargo, surgen lagunas en nuestra comprensión cuando tratamos de aplicarlo a distancias extremadamente pequeñas, donde las leyes de la mecánica cuántica están en funcionamiento. (se abre en una pestaña nueva)o si tratamos de describir el universo entero.
Nuestro nuevo estudio, publicado en Nature Astronomy (se abre en una pestaña nueva), ahora ha probado la teoría de Einstein en la escala más grande. Creemos que nuestro enfoque algún día puede ayudar a resolver algunos de los mayores misterios de la cosmología, y los resultados sugieren que la relatividad general puede necesitar ser ajustada en esa medida.
¿Modelo defectuoso?
La teoría cuántica predice que el espacio vacío, el vacío, está lleno de energía. No notamos su presencia porque nuestros dispositivos solo pueden medir cambios en la energía y no su cantidad total.
Sin embargo, según Einstein, la energía del vacío tiene gravedad repulsiva: separa el espacio vacío. Curiosamente, en 1998 se descubrió que la expansión del universo en realidad se está acelerando (un descubrimiento que ganó el Premio Nobel de Física 2011). (se abre en una pestaña nueva)). Sin embargo, la cantidad de energía del vacío, o energía oscura como se le llama, necesaria para explicar la aceleración es muchos órdenes de magnitud menor de lo que predice la teoría cuántica.
Por lo tanto, la gran pregunta, denominada «el antiguo problema de la constante cosmológica», es si la energía del vacío realmente gravita, ejerciendo una fuerza gravitacional y alterando la expansión del universo.
Si es así, ¿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 debemos suponer que existe para explicar la expansión del universo. De manera similar, para explicar cómo evolucionaron las galaxias y los cúmulos en la forma en que los observamos hoy, también debemos asumir que existe un tipo de materia invisible llamada materia oscura.
Estas suposiciones están grabadas en la teoría cosmológica estándar de los científicos, llamada modelo Lambda Cold Dark Matter (LCDM), que sugiere que hay un 70% de energía oscura, un 25% de materia oscura y un 5% de materia ordinaria en el cosmos. Y este modelo ha tenido un éxito notable al ajustar todos los datos recopilados por los cosmólogos durante los últimos 20 años.
Pero el hecho de que la mayor parte del universo esté formado por fuerzas oscuras y sustancias que toman valores extraños que no tienen sentido ha hecho que muchos físicos se pregunten si la teoría de la gravitación de Einstein necesita ser modificada para describir el universo entero.
Un nuevo giro apareció hace unos años cuando se descubrió que diferentes métodos para medir la tasa de expansión cósmica, llamada constante de Hubble, daban respuestas diferentes, un problema conocido como el voltaje de Hubble. (se abre en una pestaña nueva).
El desacuerdo o tensión existe entre dos valores de la constante de Hubble. Uno es el número predicho por el modelo cosmológico LCDM, que fue desarrollado para igualar la luz que quedó del Big Bang. (se abre en una pestaña nueva) (la radiación cósmica de fondo de microondas). El otro es la tasa de expansión, que se mide observando estrellas en explosión, conocidas como supernovas, en galaxias distantes.
Se han propuesto muchas ideas teóricas para modificar LCDM para explicar el voltaje de Hubble. Entre ellas se encuentran las teorías alternativas de la gravedad.
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Podemos desarrollar pruebas para verificar si el universo obedece las reglas de la teoría de Einstein. La relatividad general describe la gravedad como la flexión o deformación del espacio y el tiempo que deforma los caminos por los que viajan la luz y la materia. Es importante destacar que predice que las trayectorias de los rayos de luz y la materia deberían doblarse por la gravedad de la misma manera.
Junto con un equipo de cosmólogos, ponemos a prueba las leyes básicas de la relatividad general. También investigamos si una modificación de la teoría de Einstein podría ayudar a resolver algunos de los problemas abiertos en cosmología, como el voltaje de Hubble.
Para averiguar si la relatividad general es correcta a gran escala, nos propusimos por primera vez examinar tres aspectos de la misma simultáneamente. Estos fueron la expansión del universo, los efectos de la gravedad sobre la luz y los efectos de la gravedad sobre la materia.
Mediante 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 a partir de los datos de fondo cósmico de microondas del satélite Planck, catálogos de supernovas y observaciones SDSS de la forma y distribución de galaxias distantes. (se abre en una pestaña nueva) y DES (se abre en una pestaña nueva) telescopios Luego comparamos nuestra reconstrucción con la predicción del modelo LCDM (esencialmente el modelo de Einstein).
Encontramos evidencia interesante de un posible desacuerdo con la predicción de Einstein, aunque con una significación estadística bastante baja. Esto significa que todavía es posible que la gravedad funcione de manera diferente a gran escala y que la relatividad general deba ajustarse.
Nuestro estudio también encontró que es muy difícil resolver el problema del estrés del Hubble simplemente cambiando la teoría de la gravedad. La solución completa probablemente requeriría un nuevo ingrediente en el modelo cosmológico que existía antes del momento en que los protones y los electrones se combinaron por primera vez para formar hidrógeno poco después del Big Bang, como los campos magnéticos. O tal vez haya un error sistemático aún desconocido en los datos.
Sin embargo, nuestro estudio ha demostrado que es posible probar la validez de la relatividad general sobre distancias cosmológicas utilizando datos de observación. Aunque todavía no hemos resuelto el problema del Hubble, en unos años tendremos muchos más datos de nuevas sondas.
Esto significa que podemos usar estos métodos estadísticos para optimizar aún más la relatividad general, explorar los límites de las modificaciones y allanar el camino para resolver algunos desafíos abiertos en cosmología.
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