Hallan «algo extraño» al probar la relatividad de Einstein a escalas cósmicas

Newton la consideraba una fuerza universal e instantánea, pero la Relatividad general de Einstein nos enseñó que se trata, también, de una propiedad derivada de la propia geometría del Universo. En un Universo en el que el espacio-tiempo se curva y se dobla debido a la masa de los objetos que contiene, tanto la luz como los planetas o las estrellas y galaxias no harían más que seguir sus enrevesadas formas y depresiones.

La gravedad, sin embargo, resulta despreciable a escalas muy pequeñas, en el mundo subatómico, donde reinan las leyes de la mecánica cuántica. Y por si fuera poco, durante los últimos años numerosos investigadores se han dado cuenta de que también a escalas muy grandes, cuando se trata de describir el Cosmos entero, la gravedad parece 'funcionar' de forma diferente a como lo hace en nuestra propia parcela del Universo.

Y ahora, un nuevo estudio recién publicado en 'Nature Astronomy' acaba de poner a prueba la teoría de Einstein en la mayor de las escalas. Según escriben en The ConversationKazuya Koyama y Levon Pogosian, dos de los autores del estudio, «creemos que nuestro enfoque podrá 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 a gran escala».

La Mecánica Cuántica predice que lo que llamamos 'espacio vacío' no está vacío en absoluto, sino que está repleto de energía, que se manifiesta en forma de un 'burbujeo' constante de partículas subatómicas que entran y salen continuamente de la realidad. Pero según Einstein la energía del vacío tiene una 'gravedad repulsiva', es decir, que separa el espacio en lugar de juntarlo. De hecho, en 1998 se descubrió que, efectivamente, el espacio no solo se está expandiendo, sino que lo hace cada vez más deprisa, haciendo de nuestro Universo un lugar cada vez más grande a cada segundo que pasa.

Los científicos han calificado esa energía como 'oscura' pero, al medirla, se han encontrado con la sorpresa de que la cantidad de energía oscura necesaria para explicar el crecimiento acelerado del Universo es varios órdenes de magnitud menor de lo que predice la teoría cuántica.

Y ahí, según los investigadores, es donde llega la gran pregunta: ¿ejerce realmente la energía oscura una fuerza gravitacional capaz de alterar la expansión del Universo? En caso afirmativo, escriben Koyama y Pogosian, «¿por qué su gravedad es mucho más débil de lo previsto? Y si el vacío no gravita en absoluto, ¿qué está causando entonces la aceleración cósmica? No sabemos qué es la energía oscura, pero debemos suponer que existe para explicar la expansión del Universo».

Del mismo modo, los científicos asumen que tiene que existir también un tipo de materia invisible, la llamada materia oscura, que explique cómo evolucionaron las galaxias y los cúmulos galácticos para que sean tal y como los observamos hoy. Todo se mueve en el Universo, pero la materia 'normal' contenida por las galaxias (en forma de planetas estrellas y nubes de polvo y gas), sencillamente no ejerce la gravedad suficiente como para mantenerlas unidas.

Esa gravedad 'extra' tiene que ser aportada por algo, y ese algo es la materia oscura. Según el modelo actual, la energía oscura da cuenta de casi el 70% de todo lo que hay en el Universo y la materia oscura de otro 25%. Por lo que a la materia ordinaria, la que podemos ver como galaxias y estrellas, solo abarca un escaso 5%. Hasta ahora, el modelo se ha ajustado notablemente bien a todos los datos recopilados por los cosmólogos durante los últimos 20 años.

En resumen, en su inmensa mayor parte (un 95%) el Universo está compuesto por fuerzas y sustancias 'oscuras', con valores tan extraños y a veces sin sentido que los científicos han empezado a preguntarse si la teoría de la gravedad de Einstein necesita ser modificada para ser capaz de describir todo el Universo.

En su estudio, y para averiguar si la gravedad es correcta en las escalas más grandes, los investigadores investigaron al mismo tiempo, por primera vez, tres de sus aspectos principales: la expansión del Universo, los efectos de la gravedad sobre la luz y los efectos de la gravedad sobre la materia. «Utilizando un método estadístico conocido como inferencia bayesiana -escriben los científicos-, reconstruimos la gravedad del Universo a través de la historia cósmica en un modelo informático basado en estos tres parámetros». Parámetros que estimaron usando los datos del Fondo Cósmico de Microondas del satélite Planck, los catálogos de supernovas y las observaciones de las formas y distribución de galaxias distantes de los telescopios SDSS y DES.

Después, compararon su modelo con el de Einstein, y lo que hallaron fue «un posible desajuste con la predicción de Einstein» lo que implica la posibilidad de que realmente la gravedad funcione 'de un modo diferente' en las escalas más grandes, por lo que sería necesario modificar la teoría general de la relatividad.

«La solución completa -escriben Koyama y Pogosian en The Conversation- 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, algo como una forma especial de materia oscura, un tipo primitivo de energía oscura, o campos magnéticos primordiales«.

Aunque también podría ser que exista «un error sistemático aún desconocido en los datos«.

De un modo u otro, el estudio ha demostrado que es posible poner a prueba la validez de la relatividad general a grandes distancias utilizando datos de observación. Lo cual, según los investigadores, «significa que podremos utilizar estos métodos estadísticos para continuar ajustando la relatividad general, explorando los límites de las modificaciones y allanar el camino para resolver algunos de los desafíos abiertos en cosmología».