materia oscura

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.

La relatividad general ha superado muchos años de pruebas de observación, desde la medida de Eddington de la desviación de la luz de las estrellas por parte del Sol en 1919 hasta la reciente detección de ondas gravitacionales.

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

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

Creemos que nuestro enfoque puede algún día 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 en esta escala.

¿Modelo defectuoso?

La teoría cuántica predice que el espacio vacío, el vacío, está repleto de energía. No notamos su presencia porque nuestros dispositivos solo pueden medir cambios en la energía en lugar de su cantidad total.

Sin embargo, según Einstein, la energía del vacío tiene una gravedad repulsiva: separa el espacio vacío.

Curiosamente, en 1998 se descubrió que, de hecho, la expansión del universo se está acelerando (un hallazgo galardonado con el premio Nobel de física de 2011).

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

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Por lo tanto, la gran pregunta, denominada “el viejo problema de la constante cosmológica”, es si la energía del vacío realmente gravita, ejerciendo una fuerza gravitatoria 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 debemos suponer que existe para explicar la expansión del universo.

De manera similar, también debemos asumir que hay un tipo de presencia de materia invisible, denominada materia oscura, para explicar cómo evolucionaron las galaxias y los cúmulos para ser la forma en que los observamos hoy.

Estas suposiciones se integran en la teoría cosmológica estándar de los científicos, llamada modelo lambda de materia oscura fría (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 ajustarse a todos los datos recopilados por los cosmólogos durante los últimos 20 años.

Pero el hecho de que la mayor parte del universo esté compuesto 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 todo el universo.

Un nuevo giro apareció hace unos años cuando se hizo evidente que las diferentes formas de medir la tasa de expansión cósmica, denominada constante de Hubble, dan diferentes respuestas, un problema conocido como la tensión de 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 ha sido desarrollado para igualar la luz que quedó del Big Bang (la radiación cósmica de fondo de microondas).

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 LCDM para explicar la tensión de Hubble. Entre ellas se encuentran las teorías alternativas de la gravedad.

Excavando en busca de 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 las vías a lo largo de las cuales 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 exploramos si modificar 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 gran escala, nos propusimos, por primera vez, investigar simultáneamente tres aspectos de la misma.

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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.

Podríamos estimar los parámetros usando los datos de fondo de microondas cósmicos del satélite Planck, catálogos de supernovas, así como observaciones de las formas y distribución de galaxias distantes por los telescopios SDSS y DES.

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

Encontramos indicios interesantes de un posible desajuste con la predicción de Einstein, aunque con una significancia estadística bastante baja.

Esto significa que, sin embargo, 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 de la tensión de 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 justo después del Big Bang, como una forma especial de materia oscura, un tipo primitivo de energía oscura o primordial. campos magnéticos.

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 de observación.

Si bien aún 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 continuar ajustando la relatividad general, explorando los límites de las modificaciones, para allanar el camino para resolver algunos de los desafíos abiertos en cosmología.

Por Kazuya Koyama, Universidad de Portsmouth y Levon Pogosian, Universidad Simon Fraser (La conversación)

• La teoría cuántica predice que el espacio vacío, el vacío, está repleto de energía.

• En 1998, se descubrió que, de hecho, la expansión del universo se está acelerando.

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