Todo en el Universo tiene gravedad, y también la siente. Sin embargo, esta fuerza fundamental, la más común de todas, es también la que presenta los mayores desafíos para los físicos.

La teoría de la relatividad general de Albert Einstein ha tenido un éxito notable en la descripción de la gravedad de las estrellas y los planetas, pero no parece aplicarse perfectamente a todas las escalas.

relatividad general ha sido objeto de muchos años de pruebas de observación, desde medida de Eddington desde la desviación de la luz de las estrellas por el Sol en 1919 hasta la detección reciente de ondas gravitacionales🇧🇷

Sin embargo, empiezan a aparecer lagunas en nuestra comprensión cuando tratamos de aplicarla en distancias extremadamente pequeñas, donde las leyes de la mecánica cuántica operano cuando tratamos de describir todo el universo.

Nuestro nuevo estudio, publicado en astronomía de la naturalezaya ha probado la teoría de Einstein en la mayor de las escalas.

Creemos que nuestro enfoque algún día podría 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 esta escala.

¿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 en su cantidad total.

Sin embargo, según Einstein, la energía del vacío tiene una gravedad repulsiva: empuja el espacio vacío. Curiosamente, en 1998 se descubrió que efectivamente la expansión del Universo se está acelerando (descubrimiento galardonado con el Premio Nobel de Física 2011🇧🇷

Sin embargo, la cantidad de energía de vacío, o energía oscura como se le llamó, necesaria para explicar que la aceleración es muchos órdenes de magnitud menor de lo que predice la teoría cuántica.

Por lo tanto, la gran pregunta, denominada «el viejo problema de la constante cosmológica», es si la energía del vacío realmente gravita, ejerciendo una atracción gravitatoria 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, ¿qué está causando la aceleración cósmica?

No sabemos qué es la energía oscura, pero debemos suponer que existe para explicar la expansión del Universo.

Asimismo, también debemos suponer que existe una especie de presencia de materia invisible, denominada materia oscurapara explicar cómo evolucionaron las galaxias y los cúmulos hasta ser como los observamos hoy.

Estas suposiciones están integradas en la teoría cosmológica estándar de los científicos, llamada modelo lambda de materia oscura fría (LCDM), lo 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 encajar 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 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 modificaciones para describir el universo entero.

Un nuevo giro apareció hace unos años cuando se hizo evidente que las diferentes formas de medir la tasa de expansión cósmica, denominadas constante de Hubbledar diferentes respuestas – un problema conocido como el voltaje del Hubble🇧🇷

El desacuerdo, o tensión, es 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 sobrante del Big Bang (Los fondo cósmico de microondas radiación).

El otro es la tasa de expansión medida al observar estrellas en explosión conocidas como supernovas en galaxias distantes.

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

buscando respuestas

Podemos diseñar pruebas para verificar que 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, curvando 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 deben doblarse por la gravedad de la misma manera.

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

Para averiguar si la relatividad general es correcta a gran escala, nos propusimos, por primera vez, investigar tres aspectos de ella simultáneamente. Estos fueron la expansión del Universo, los efectos de la gravedad sobre la luz y los efectos de la gravedad sobre la materia.

Usando un método estadístico conocido como inferencia Bayesiana, reconstruimos la gravedad del Universo a través de la historia cósmica en un modelo de computadora basado en estos tres parámetros.

Podemos estimar los parámetros utilizando los datos de fondo de microondas cósmicos del satélite Planck, catálogos de supernovas, así como observaciones de las formas y distribución de galaxias distantes en la Tierra. SDSS y DES telescopios

Luego comparamos nuestra reconstrucción con la predicción del modelo LCDM (esencialmente el modelo de Einstein).

Encontramos pistas interesantes de una posible incompatibilidad con la predicción de Einstein, aunque con una significación estadística muy baja.

Sin embargo, esto significa que existe la posibilidad de que la gravedad funcione de manera diferente a gran escala y que la teoría de la relatividad general deba modificarse.

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, presente antes del momento en que los protones y electrones se combinaron por primera vez para formar hidrógeno poco después. Big Bangcomo una forma especial de materia oscura, un tipo primitivo de energía oscura o campos magnéticos primordiales.

O, tal vez, hay un error sistemático aún desconocido en los datos.

Dicho esto, nuestro estudio demostró que es posible probar la validez de la relatividad general sobre distancias cosmológicas utilizando datos de observación. Si bien todavía no hemos resuelto el problema del Hubble, tendremos muchos más datos de nuevas sondas en unos años.

Esto significa que podremos utilizar estos métodos estadísticos para seguir mejorando la relatividad general, explorando los límites de modificación, para allanar el camino para resolver algunos de los desafíos abiertos en cosmología.

kazuya koyamaProfesor de Cosmología, Universidad de Portsmouth y levon pogosianProfesor de física, Universidad Simon Fraser

Este artículo se vuelve a publicar de La conversación bajo una licencia Creative Commons. leer el artículo original🇧🇷