La teoría general de la relatividad de Einstein, formulada en 1916, trata la gravedad como una deformación del espacio-tiempo por varias partículas y campos. Junto con el modelo estándar, que describe las fuerzas electromagnéticas, débiles y fuertes, forma la base de nuestra comprensión moderna de la física de partículas.

A pesar del notable éxito de esta teoría para explicar los efectos gravitatorios a escala de planetas, estrellas y galaxias, la relatividad general todavía tiene limitaciones. Se sabe desde hace alrededor de un siglo que no explica los efectos cuánticos, que en el caso de la gravedad se espera que sean importantes en el orden de unos 20 órdenes de magnitud más pequeños que el tamaño de un átomo. Esto significa que la relatividad general no puede usarse para describir la física de la gravedad a distancias tan extremadamente pequeñas.

Sin embargo, observaciones astronómicas recientes sugieren que la relatividad general puede perder su validez incluso en la escala más grande: la de todo el universo.

Para determinar si la relatividad general, o una modificación conocida, proporciona una teoría correcta de la gravitación a esta gran escala, un equipo internacional de físicos dirigido por el profesor Levon Pogosian de la Universidad Simon Fraser analizó una gran cantidad de datos astronómicos y concluyó que todas las teorías conocidas de la gravitación la gravitación hace alguna forma de tensión con las observaciones reales.

Pruebas Experimentales de Relatividad General

La teoría general de la relatividad de Einstein ha superado muchas pruebas experimentales. El primero se remonta a principios del siglo XX, cuando se descubrió que la relatividad general podía explicar las peculiaridades de la órbita de Mercurio y predecir correctamente el ángulo de desviación de la luz del Sol.

Desde entonces, la validez de esta teoría se ha confirmado en una serie de experimentos y observaciones, que culminaron con la detección de ondas gravitacionales en 2015 y la primera imagen de un agujero negro en 2019, cuya existencia fue una emocionante predicción de la relatividad general. .

Sin embargo, en 1933 se determinó que las galaxias debían contener grandes cantidades de una sustancia desconocida llamada materia oscura para que las velocidades observadas de las estrellas en galaxias distantes no contradijeran las predicciones de la relatividad general.

Además, el descubrimiento en 1998 de la expansión acelerada del universo obligó a los científicos a introducir otro componente en la teoría llamado energía oscura, que a veces se interpreta como la energía del vacío y, según la teoría de Einstein, provoca la expansión.

Para que la relatividad general esté de acuerdo con estos datos astronómicos, estas dos entidades, la materia oscura y la energía oscura, deben representar alrededor del 95 % de toda la energía del universo. Sin embargo, ninguno se ha manifestado en experimentos de laboratorio, y su origen y propiedades no tienen una explicación teórica confiable, lo que lleva a algunos científicos a creer que es posible que no existan en absoluto.

Surgieron dificultades aún mayores después del descubrimiento del llamado voltaje de Hubble, para el cual los valores de la tasa de expansión del universo medidos en varios experimentos se contradicen entre sí. Por ejemplo, en las observaciones de las explosiones de supernovas y las propiedades del fondo cósmico de microondas, la radiación que quedó del Big Bang.

«La discrepancia no significa automáticamente que la relatividad general sea incorrecta o que algo más esté mal con nuestro modelo cosmológico», dijo Pogosian en un correo electrónico. “Tenemos que mantener la mente abierta y tener en cuenta algo al analizar los datos que aún no se ha tenido en cuenta. Sin embargo, esta posibilidad ha sido (y continúa siendo) examinada de cerca y hasta ahora la tensión solo ha aumentado con un análisis más detallado”.

Sin embargo, muchos cosmólogos se preguntan si las contradicciones entre teoría y observación no deberían resolverse modificando la teoría de la gravitación. Los investigadores han estudiado las posibles mejoras de la relatividad general durante décadas, pero la más popular es un conjunto de teorías propuestas en 1974 por Gregory Horndeski de la Universidad de Waterloo, Canadá, en las que los detalles de las curvas de la materia pueden diferir del espacio-tiempo de Einstein. Teoría.

Encontrar una teoría correcta de la gravedad

Según la relatividad general y las generalizaciones de Horndeski, la influencia de la gravedad en la evolución del universo se puede dividir en tres partes: el efecto de la gravedad sobre la materia, la radiación y la expansión del universo.

Para determinar si existe una teoría gravitacional que describa estos efectos de acuerdo con las observaciones, el equipo de Pogosian combinó datos astronómicos recopilados de una variedad de observatorios terrestres y espaciales y comparó los datos con las predicciones hechas utilizando diferentes teorías.

Encontraron una discrepancia poco sorprendente entre la teoría de Einstein y las observaciones, lo que se esperaba dado el voltaje del Hubble antes mencionado. Lo que es más interesante, sin embargo, es que ninguna de las teorías de Horndeski produjo resultados consistentes con las observaciones.

Esto significa que con datos de observación correctos, se requiere una modificación más radical de la relatividad general que la propuesta por Horndeski. Puede contener algunas partículas nuevas o nuevas interacciones que contribuyan significativamente a la evolución del universo.

«Las observaciones sugieren que el ingrediente que falta probablemente se encuentra en nuestra comprensión del Universo primitivo, es decir, en la época justo antes de la recombinación, el momento en que se creó el fondo cósmico de microondas», dijo Pogosian. «Las ideas populares incluyen la energía oscura temprana, los campos magnéticos primordiales, los nuevos tipos de neutrinos, la materia oscura en interacción y algunos otros».

Se espera que un posible problema con la precisión de los datos experimentales se resuelva con la próxima generación de telescopios. Si las observaciones futuras confirman la precisión de los datos utilizados por los científicos, significa que nuestra comprensión actual de la gravedad es incompleta y necesita mejoras.

«La próxima generación de experimentos de fondo cósmico de microondas, como el Observatorio Simons y el CMB-S4, tendrán una sensibilidad y resolución mucho mejores y podrían descartar o confirmar algunas de las controvertidas propuestas teóricas para resolver el voltaje del Hubble», concluyó Pogosian. «Los estudios de galaxias actuales y futuros como DESI, Euclid, Vera Rubin y SKA, combinados con los datos del fondo cósmico de microondas, proporcionarán pruebas muy rigurosas de la relatividad general».

Referencia: Levon Pogosian, et al., Huellas de estrés cosmológico en gravedad reconstruida, Nature Astronomy (2022), DOI: 10.1038/s41550-022-01808-7.

Crédito de la imagen principal: Gerd Altmannen Pixabay

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