Los científicos probaron la relatividad de Einstein a escala cósmica y encontraron algo extraño. Alerta científica:

Todo en el universo tiene gravedad y también la siente. Sin embargo, la más común de todas estas fuerzas fundamentales es también la que presenta el mayor desafío para los físicos.

Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein tiene un éxito sorprendente al describir la gravedad de las estrellas y los planetas, pero no parece aplicarse perfectamente a todas las escalas.

Teoría general de la relatividad pasado muchos años de pruebas de observación, desde Medida de Eddington Sobre la desviación de la luz de las estrellas por el Sol en 1919 el reciente descubrimiento de las ondas gravitacionales.

Sin embargo, empiezan a aparecer lagunas en nuestra comprensión cuando tratamos de aplicarla a distancias extremadamente pequeñas en las que se aplican las leyes de la mecanica cuanticao cuando tratamos de describir el universo entero.

Nuestro nuevo estudio, Esta publicado Astronomía de la naturalezaahora ha probado la teoría de Einstein en la escala más grande.

Creemos que nuestro enfoque puede algún día ayudar a resolver algunos de los mayores misterios de la cosmología, y los resultados sugieren que la relatividad general puede hacer correcciones en esta escala.

¿Modelo incorrecto?

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, no la cantidad total.

Sin embargo, según Einstein, la energía del vacío tiene gravedad repulsiva: empuja contra el espacio vacío. Curiosamente, en 1998 se descubrió que la expansión del Universo en realidad se está acelerando (un descubrimiento acreditado a Premio Nobel de Física 2011)

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

Entonces, la gran pregunta, llamada el «viejo problema de la constante cósmica», es si la energía del vacío realmente gravita, ejerciendo una fuerza gravitacional y cambiando la expansión del universo.

Si es así, ¿por qué su gravedad es mucho más débil de lo previsto? Si el vacío no tira 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.

Asimismo, también debemos suponer que existe un tipo de sustancia invisible llamada materia oscurapara explicar cómo evolucionaron las galaxias y los cúmulos hasta convertirse en la forma en que los vemos hoy.

Estas suposiciones están incluidas en la teoría cosmológica estándar de los científicos, llamada modelo de materia oscura fría lambda (LCDM), que asume que el universo es 70 por ciento de energía oscura, 25 por ciento de materia oscura y 5 por ciento de materia ordinaria. Y este modelo ha tenido un éxito notable en 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 oscuras y materia, dados valores extraños que no tienen sentido, ha llevado a muchos físicos a preguntarse si la teoría de la gravedad de Einstein necesita ser modificada para describir el universo entero.

Un nuevo giro apareció hace unos años, cuando quedó claro que las diferentes formas de medir la tasa de expansión cósmica, llamadas constante de Hubbledar diferentes respuestas – un problema conocido como tensión de Hubble.

El desacuerdo o tensión radica entre los dos valores de la constante de Hubble.

Uno es el número predicho por el modelo cósmico LCDM, que fue desarrollado para igualar la luz sobrante del Big Bang (la fondo cósmico de microondas radiación).

Otro es la tasa de expansión, que se mide observando estrellas en explosión en galaxias distantes, conocidas como supernovas.

Se han propuesto muchas ideas teóricas sobre las formas en que LCDM cambia 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 probar si el universo obedece las reglas de la teoría de Einstein.

La relatividad general describe la gravedad como un giro o deformación en el espacio y el tiempo que tuerce los caminos a lo largo de los 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 de manera similar por la gravedad.

Junto con un equipo de cosmólogos, probamos las leyes básicas de la relatividad general. También investigamos si modificar la teoría de Einstein podría ayudar a resolver algunos 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 estudiar tres aspectos de ella simultáneamente. Eran la expansión del Universo, el efecto de la gravedad sobre la luz y el efecto 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 datos de fondo de microondas cósmico del satélite Planck, catálogos de supernovas y observaciones de las formas y distribuciones de galaxias distantes. SDSS: y: DES: telescopios

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

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

Esto significa que todavía existe la posibilidad de que la gravedad funcione de manera diferente a gran escala, y que la relatividad general pueda necesitar ajustes.

Nuestro estudio también encontró que es muy difícil resolver el problema del estrés del Hubble cambiando solo la teoría de la gravedad.

Una solución completa probablemente requeriría un nuevo componente del modelo cosmológico, uno que existe antes de que los protones y electrones se combinaran por primera vez para formar hidrógeno poco después. una gran explosiónpor ejemplo, una forma especial de materia oscura, una forma temprana de energía oscura o campos magnéticos primordiales.

O tal vez todavía hay un error de sistema desconocido en los datos.

Dicho esto, nuestro estudio ha demostrado que es posible probar la validez de la relatividad general sobre distancias cósmicas 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 refinar aún más la relatividad general, explorar los límites del cambio y allanar el camino para resolver algunos de los desafíos abiertos en cosmología.

kazuya koyamaProfesor de Cosmología, Universidad de Portsmouth y: Levon Poghosianprofesor de física Universidad Simon Fraser

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