Comprobando la teoría de la relatividad en la red cósmica

Al acercarnos al centenario de la teoría general de la relatividad de Einstein, se está gestando una revolución silenciosa.

 Una serie de grupos de todo el mundo están tratando de comprobar la validez de la relatividad general a escala del universo.

Hasta el momento las pruebas no son concluyentes, sin embargo,

ya anuncian un cambio radical en la forma de percibir

 la teoría de Einstein.

Y prueba de ello es que se está convirtiendo rápidamente en uno de los principales esfuerzos de algunos de los satélites más potentes y en experimentos que se están desarrollando en tierra.
La teoría general de la relatividad de Einstein nos ha servido muy bien. Sin embargo, ¿y si era incorrecta?

No me malinterpreten, esta teoría consigue un éxito notable al explicar muchos fenómenos distintos: nos permite calcular las órbitas de todos los planetas del sistema solar con una precisión extraordinaria.

También nos permite averiguar cómo la luz se desvía por la deformación del espacio-tiempo alrededor de las estrellas y los planetas.

Pero, ¿podría ser que hubiésemos llevado la relatividad general demasiado lejos al tratar de predecir con ella la evolución del universo?

Hay un hecho sorprendente, y es que la relatividad general se ha mantenido sin cambios desde que Einstein la propuso por primera vez en 1915.

En su corazón está nuestro entendimiento de la fuerza de la gravedad. Einstein propuso la idea de que no hay una fuerza de gravedad en sí misma.

En lugar de ello, lo que percibimos como gravedad es el resultado de la geometría del espacio-tiempo.

Si colocamos un objeto, un planeta o una estrella, o de hecho, cualquier cosa con masa en el espacio, lo deformará. La teoría general de la relatividad nos da unas reglas únicas y exactas para el cálculo de la magnitud de esta deformación.

Estas mismas reglas están hoy con nosotros, y hemos estado durante mucho tiempo explotándolas, extrayendo predicciones que van desde los agujeros negros al Big Bang. Una de las primeras predicciones que surgieron fue la idea de que el universo se está expandiendo. Las distantes galaxias se están alejando de nosotros y entre ellas, a velocidades de decenas o cientos de miles de kilómetros por segundo.

La expansión del universo fue confirmada espectacularmente por Edwin Hubble en 1929, y desde entonces, la optimización permanente de las observaciones nos ha permitido desentrañar la historia del universo en expansión cada vez con mayor precisión.

Pero ahí está el problema.

Si la relatividad general es correcta, tiene que dar algunas explicaciones, dado que las observaciones parecen indicar que el universo no es sólo se está expandiendo, sino que su expansión se está acelerando.

Esto no está reñido con la relatividad: la teoría de Einstein sugiere que hay algo más por ahí, una "oscura" forma de energía que impulsa esa separación.

Según los cálculos basados en esta teoría, las dos terceras partes del presupuesto total de energía del universo deben estar compuestas de esta esquiva energía oscura.

Mentes suspicaces

El problema es que nuestras observaciones hasta el momento no han encontrado ninguna indicación de qué es la energía oscura y cuál es su papel en los diferentes momentos de la historia del universo.

Se están planificando nuevas misiones que aborden este tipo de cuestiones.

Pero hasta entonces, es posible que el concepto de energía oscura está ocultando algo básicamente erróneo en nuestro concepto de la gravedad.

Por lo tanto, ¿Es posible que hayamos alcanzado al límite de la tremenda visión de Einstein y se necesaria una nueva teoría?

No sería la primera vez que se han levantado sospechas sobre su exactitud y su plenitud; luminarias tales como Paul Dirac y Andrei Sakharov lo han llegado a cuestionar (ver "Sustituciones de la relatividad").

A pesar de la plétora de alternativas, la teoría de Einstein ha aguantado el tipo, manteniéndose como favorita.

 Sigue siendo, con mucho, la propuesta más simple y elegante que explica cómo se comporta el espacio-tiempo.

Por otra parte, la energía oscura parece encajar la riqueza de los datos cosmológicos que hemos acumulado a lo largo de las últimas décadas.

La caso es que, por primera vez en casi 100 años, existe ahora la posibilidad real de probar la teoría de Einstein a escala del universo.

Para hacerlo, tendremos que encontrar una teoría más poderosa que subsuma la relatividad general o tome una de las alternativas

 más en serio.

La idea es estudiar en detalle cómo crecen en el universo las grandes y complejas estructuras.

 El paradigma actual se basa en que el impulso principal es el colapso gravitacional, cosa que explica la relatividad general: en las zonas donde hay más galaxias, el espacio se deforma de tal manera que arrastran aún más hacia ellas a las demás galaxias, dando lugar a concentraciones masivas de luz y energía, en forma de cúmulos y supercúmulos.

Por el contrario, las regiones de espacio vacío tiende a estar aún más vacías, dando lugar a vacíos cósmicos de proporciones gigantescas.

 El tapiz que forman las regiones llenas y las vacías se conoce como la red cósmica.

En las últimas décadas ha habido una explosión en nuestra comprensión de la red cósmica.

Grandes estudios de las galaxias, como el 2-degree-Field Survey y el Sloan Digital Sky Survey, han construido detallados mapas de la estructura del universo, cómo identificar cuidadosamente los cúmulos, muros, filamentos y vacíos se distribuyen a nuestro alrededor.

Es más, se han hecho mapas del universo hecho usando longitudes de onda diferentes, como las realizadas por el satélite WMAP y el telescopio espacial Herschel, que muestran la apariencia del cosmos en diferentes momentos.

 Todo esto nos permitirá ver el papel que ha jugado el colapso gravitacional en las diferentes épocas de la historia del universo (ver "El universo invisible", en New Scientist).

Dado que el principal motor detrás de la red cósmica es la gravedad, no es de extrañar que haya detalles finos de la estructura e historia  de la red que puedan utilizarse para buscar las desviaciones desde la relatividad general.

A través del estudio de la velocidad de su evolución y del mapeo de cómo el espacio-tiempo circundante distorsiona los rayos de luz, se debería dilucidar incluso las pequeñas discrepancias en el comportamiento de la gravedad. Pues esto es lo que ha comenzado a suceder.

El primer paso crucial fue llevado a cabo por Luigi Guzzo y su equipo, en el Observatorio Astronómico de Brera en Merate, Italia, en 2008.

 Los investigadores tomaron un catálogo de 10.000 galaxias débiles, en una medida de cuando el universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual, y estudiaron cómo se movían estas galaxias en relación con las demás.

El equipo calculó la velocidad del colapso gravitacional que pudiera haber ocurrido en esos primeros tiempos, y después, lo utilizaron para demostrar que algunas de las alternativas propuestas a la teoría de Einstein, simplemente no funcionaban.

 La investigación de Guzzo, puso de manifiesto que estudios tan detallados de la red cósmica podrían ser muy eficaces para sondear la gravedad (Nature, vol 451, p 541).

Rachel Bean y sus colaboradores en la Universidad de Cornell, en Ithaca, Nueva York, llevó esta idea un paso más allá, en septiembre de 2009.

 Ella abandonó la idea de que la relatividad general es sagrada, y en su lugar colocó las modificaciones a la relatividad en pie de igualdad con todos los demás parámetros cosmológicos. Luego buscaron evidencias en los datos que aprobaran o refutaran la teoría de Einstein.

A diferencia del equipo de Guzzo, que consideró solamente un catálogo de galaxias, Bean combinó una serie de observaciones. Incluyó las mediciones de WMAP de fondo cósmico de radiación de microondas, las lejanas supernovas brillantes que están siendo arrastradas junto con la expansión cósmica, y los rastros de luz de distantes galaxias que se ven distorsionadas por la intervención de la red cósmica.

De forma provocativa, los análisis preliminares del equipo sugirieron unas tentadoras evidencias de desviaciones de la teoría de Einstein (New Scientist, 24 de octubre de 2009, p 8).

Sin embargo, al seguir trabajando se demostró que la teoría de Einstein se mantenía en pie y consistente con todas las medidas cosmológicas.

Si algo está claro del trabajo de Bean, es que un gran número de observaciones de alta calidad nos permite poner en situaciones muy apretadas a la teoría de Einstein, o descubrir las desviaciones.

Los resultados de Bean han sido continuados por una oleada de resultados de otros grupos. Por ejemplo, Reinabelle Reyes, de la Universidad de Princeton, y sus colaboradores, han dado otro paso más, utilizando un método particularmente adaptado para dilucidar modificaciones a la relatividad general (Nature, vol 464, p 256). Su equipo, a su vez, también encontró que la teoría de Einstein prevalece, y que los resultados descartan otra clase de teorías alternativas que Guzzo no había probado, a pesar de que aún permiten una gama de otras modificaciones.

De las conclusiones de Reyes, se hicieron eco dos análisis recientes de cantidades aún más grandes de datos. La relatividad general sigue siendo el principal candidato así como la teoría de la gravedad, de acuerdo con los equipos dirigidos por Scott Daniel de la Universidad Ewha Womans en Seúl, Corea del Sur, y Levon Pogosian de la Universidad Simon Fraser en Burnaby, Columbia Británica, Canadá.

Pero no tan rápido. Aunque la teoría de Einstein parece que pasa con gran éxito estas pruebas, no podemos descartar todas las alternativas.

Muy pasa en otros campos de la física, la teoría de Einstein puede considerarse como una hipótesis más dentro de una amplia gama de posibilidades que abarcan otras teorías alternativas.

 Con las pruebas experimentales de hoy en día, estamos descubriendo lo lejos que puede desviarse de la relatividad general.

Por ahora, los resultados inclinan la balanza a favor de la relatividad general. Pero estamos en un punto de inflexión en lo que se refiere a la manera de estudiar la física del universo.

 Por la primera vez, podemos realmente probar una de nuestras teorías más básicas y profundas, y la que más ha guiado e impulsado el desarrollo de la cosmología.

Estas pruebas de la relatividad general están impulsando importantes proyectos astronómicos.

 El Observatorio Europeo del Sur VIPERS está mapeando las posiciones de más de 100.000 galaxias, de cuando el universo tenía menos de la mitad de su edad actual.

Entre tanto, Simon Driver, de la Universidad de St Andrews, en el Reino Unido, es líder de GAMA survey, que recopila las observaciones de 250.000 galaxias desde los telescopios de todo el mundo.

El ensamblado de estos mapas detallados nos permitirá reconstruir la historia de la gravedad y cómo se ha ido formando la complejidad de nuestro universo.

En una escala mucho más ambiciosa está la misión Euclides, un satélite de observación que está siendo considerado por la Agencia Espacial Europea.

Si se aprueba, se pondrá en marcha en torno a 2018 y se le asignarán las posiciones de hasta mil millones de galaxias, lo que lleva a un impresionante mapa de los cielos.

Hemos entrado en una era realmente emocionante, ya que empezamos a mirar críticamente a uno de los pilares de la física moderna.

 La teoría general de la relatividad es la base de casi todos los descubrimientos de la cosmología moderna.

Pero ahora podemos dar ese repaso y comprobar si hemos estado en lo cierto, o si las ideas de los pesos pesados como Paul Dirac, Andrei Sakharov, Theodor Kaluza y Oskar Klein, pudieran tener algo más que decir respecto a cómo el universo se organiza en las más grandes escalas.

·                               - Referencia: NewScientist.com, 12 de octubre 2010, por Pedro Ferreira

·                               - Imagen: La gravedad da forma a los cúmulos y vacíos realizados por las galaxias (Foto: 6DF Galaxy Survet / AAO)

·                               Pedro Ferreira es profesor de astrofísica en la Universidad de Oxford y miembro de la Oxford Martin School. Su página web es pedroferreira.co.uk.