Probamos la teoría de la gravedad de Einstein en la escala del universo: esto es lo que encontramos
Todo en el universo tiene gravedad, y también la siente. Sin embargo, esta fuerza fundamental más común es también la que plantea los mayores desafíos a los físicos. La teoría de la relatividad general de Albert Einstein (se abre en una nueva pestaña) tuvo un éxito notable al describir la gravedad de las estrellas y los planetas, pero no parece aplicarse perfectamente a todas las escalas.
La relatividad general ha pasado muchos años de pruebas de observación, medida de Eddington (se abre en una nueva pestaña) de la desviación de la luz de las estrellas por el Sol en 1919 hacia el detección reciente de ondas gravitacionales (se abre en una nueva pestaña). Sin embargo, empiezan a aparecer lagunas en nuestra comprensión cuando tratamos de aplicarla a distancias extremadamente pequeñas, donde las leyes de la mecánica cuántica operan (se abre en una nueva pestaña)o cuando tratamos de describir todo el universo.
Nuestro nuevo estudio, publicado en Nature Astronomy (se abre en una nueva pestaña), ahora ha probado la teoría de Einstein en la más grande 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 en 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 en lugar de 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 estaba acelerando (descubrimiento recompensado con la Premio Nobel de Física 2011 (se abre en una nueva pestaña)). Sin embargo, la cantidad de energía del vacío, o energía oscura, como se la ha llamado, necesaria para explicar la aceleración es varios órdenes de magnitud menor que la predicha por la teoría cuántica.
Por lo tanto, la gran pregunta, denominada «viejo 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 baja de lo esperado? Si el vacío no gravita en absoluto, ¿qué causa 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 materia invisible presente, llamada materia oscura, para explicar cómo evolucionaron las galaxias y los cúmulos hasta la forma en que los observamos hoy.
Estas suposiciones están integradas 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, hace que muchos físicos se pregunten si la teoría de la gravedad de Einstein tuvo que modificarse para describir el universo entero.
Un nuevo giro se produjo hace unos años cuando se hizo evidente que las diferentes formas de medir la tasa de expansión cósmica, denominada constante de Hubble, arrojan diferentes respuestas, un problema conocido como el voltaje del Hubble (se abre en una nueva pestaña).
La desafinación, o tensión, está 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 dejada por el Big Bang (se abre en una nueva pestaña) (la radiación cósmica de fondo de microondas). El otro es la tasa de expansión medida al observar estrellas en explosión llamadas supernovas en galaxias distantes.
Se han propuesto muchas ideas teóricas para modificar el LCDM para explicar el voltaje de Hubble. Entre ellas se encuentran las teorías gravitacionales alternativas.
busca respuestas
Podemos diseñar pruebas para verificar 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, curvando las vías por las que viajan la luz y la materia. Es importante destacar que predice que los caminos de los rayos de luz y la materia deberían doblarse por la gravedad de la misma manera.
Con un equipo de cosmólogos, probamos las leyes fundamentales 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, estudiar 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. Pudimos estimar los parámetros usando datos de fondo cósmico de microondas del satélite Planck, catálogos de supernovas, así como observaciones de las formas y distribución de galaxias distantes por el SDSS (se abre en una nueva pestaña) y DESDE (se abre en una nueva pestaña) telescopios 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 grandes escalas y que la teoría de la relatividad general deba modificarse.
Nuestro estudio también reveló que es muy difícil resolver el problema de la tensión de Hubble modificando solo la teoría de la gravedad. La solución completa probablemente requeriría un nuevo ingrediente en el modelo cosmológico, presente antes de que los protones y electrones se combinaran para formar hidrógeno justo después del Big Bang, como 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. Aunque todavía no hemos resuelto el problema del Hubble, tendremos muchos más datos de nuevas sondas en unos años.
Esto significa que podremos usar estos métodos estadísticos para continuar refinando la relatividad general, explorar los límites de las modificaciones, abrir el camino para resolver algunos de los desafíos abiertos en cosmología.
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