Einstein tenía razón con la fuerza de la gravedad
Nuevos estudios con el instrumento DESI respaldan que, a gran escala, la gravedad se comporta como predice la relatividad general de Einstein, aunque no descartan del todo teorías de gravedad modificada. También establecen un nuevo límite superior a la masa de los neutrinos y arrojan nueva luz sobre la energía oscura.
Por Enrique Coperías
Un nuevo estudio confirma que la gravedad se comporta como predice la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Imagen generada con DALL-E
La fuerza de la gravedad ha dado forma al universo. El carácter de la atracción ha transformado las minúsculas diferencias en la cantidad de materia del universo primitivo en los extensos filamentos de galaxias que pueden observarse hoy en día.
La gravedad ha dado forma al universo. Esta fuerza, que atrae los objetos hacia otros, ha sido un factor clave en la manera en que el cosmos se ha estructurado desde el big bang. La gravedad ha actuado sobre la materia en el universo, organizándola y formando las estructuras que vemos hoy, como las estrellas, los planetas, las galaxias y los agujeros negros.
En el universo temprano, la materia no estaba distribuida de manera uniforme. Había pequeñas diferencias en la cantidad de materia en diferentes regiones cósmicas. La gravedad, como una fuerza de atracción, ha causado que esas pequeñas diferencias se amplifiquen. Es decir, las zonas con más materia han ejercido más atracción y han atraído más materia hacia ellas, y viceversa.
A medida que la gravedad ha hecho su trabajo, esas pequeñas diferencias de materia se han ido acumulando y organizando en estructuras grandes. Esto ha resultado en lo que hoy conocemos como los filamentos de galaxias, que son grandes agrupaciones de galaxias conectadas entre sí, formando una red cósmica que podemos observar en el universo actual, 14.000 millones de años después de su nacimiento.
La gravedad se comporta como predijo Einstein
Un nuevo estudio, que ha utilizado los datos del Instrumento Espectroscópico de la Energía Oscura (DESI, por sus siglas en inglés, de Dark Energy Spectroscopic Instrument), ha cartografiado el crecimiento de estas estructuras durante los últimos 11.000 millones de años, y ha producido el test de la fuerza de la gravedad más preciso de la historia a gran escala.
El DESI, situado en la cima del Observatorio Nacional de Kitt Peak, en el telescopio Nicholas U. Mayall, que tiene un espejo con un diámetro de cuatro metros, es una colaboración internacional de casi un millar de científicos pertenecientes a más de setenta instituciones de todo el mundo, que gestiona el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), del Departamento de Energía de Estados Unidos.
En este nuevo estudio, los científicos han descubierto que la gravedad se comporta como predice la teoría de la relatividad general de Einstein. A grandes rasgos, esta afirma que la gravedad no es una fuerza convencional, como se pensaba antes, sino el resultado de la curvatura del espacio-tiempo causada por la presencia de masa y energía.
Los resultados del nuevo trabajo confirman el modelo actual del universo y, de paso, acotan posibles teorías de gravedad modificada. Estas se habían propuesto como explicaciones alternativas de observaciones inesperadas, como la expansión acelerada del universo, que habitualmente se atribuye a la energía oscura.
Un nuevo límite superior a la masa de los neutrinos
En palabras de Héctor Gil Marín, investigador de la Facultad de Física y del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y coautor de este nuevo análisis, «estos datos nos permiten estudiar con qué rapidez se han formado las mayores estructuras del cosmos, para poner límites, así, a la teoría de gravitación de Einstein en escalas cosmológicas muy superiores a las del sistema solar».
Gil Marín, que también es miembro del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), añade que «los resultados, por ahora, encajan perfectamente con las predicciones de la teoría de la relatividad general de Einstein».
El instrumento espectroscópico de energía oscura DESI capta imágenes del cielo nocturno en 2022. Crédito: KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/T. Slovinský.
El estudio proporciona también un nuevo límite superior a la masa de los neutrinos, aunque todavía no se sabe cuánto pesan estas esquivas partículas subatómicas fundamentales. Experimentos previos revelaron que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos —electrónicos, muónicos y tauónicos— debería ser por lo menos 0,059 eV/c2; como comparación, la del electrón es de 511.000 eV/c2.
Los resultados del DESI indican que esta suma debe ser de menos de 0,071 eV/c2, lo que deja una ventana muy estrecha para los posibles valores de las masas de los neutrinos, según informa la nota de prensa lanzada por la Universidad de Barcelona.
Seis millones de galaxias y cuásares
La colaboración en el DESI, un instrumento capaz de capturar la luz de 5.000 galaxias a la vez y determinar sus espectros, ha presentado los nuevos resultados en varios artículos científicos disponibles en el repositorio arXiv. El complejo análisis de los datos ha utilizado cerca de seis millones de galaxias y cuásares situados a distancias que varían entre los mil y los 11.000 millones de años luz de la Tierra.
Con solo un año de datos, el DESI ha logrado realizar las medidas globales más precisas del crecimiento de estructuras y ha superado todos los resultados previos, que habían costado décadas de esfuerzo continuado.
Los resultados que se acaban de presentar son un análisis en profundidad de los datos del primer año del DESI, que el pasado mes de abril presentó el mayor mapa 3D del universo que se había hecho hasta la fecha, y encontró algunos indicios de que la energía oscura podría estar cambiando con el tiempo.
DESI ha creado el mapa 3D más grande de nuestro universo hasta la fecha. La Tierra está en el centro de esta delgada porción del mapa completo. En la sección ampliada, es fácil ver la estructura subyacente de la materia en nuestro cosmos. Crédito: Claire Lamman / DESI collaboration; custom colormap package by cmastro
Los resultados publicados entonces se centraban en una propiedad particular de la distribución espacial de las galaxias, conocida como las oscilaciones acústicas de los bariones (BAO, por sus siglas en inglés). Este nuevo análisis incorpora toda la información contenida en la forma del espectro de potencias, y amplía el alcance de lo anterior para extraer más información de los datos, lo que permite medir la distribución de las galaxias y la materia a diferentes escalas espaciales.
El estudio ha requerido meses de trabajo y comprobaciones adicionales. Como en el caso anterior, han utilizado una técnica de análisis ciego que esconde los resultados hasta el final, para mitigar cualquier sesgo y confirmación.
«Los resultados conseguidos con el primer año de datos del DESI son realmente deslumbrantes», comenta Eusebio Sánchez, investigador del Centro de Investigación Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), que ha colaborado en el análisis de los datos. Y aclara: «Eso solo es el principio, porque el proyecto sigue obteniendo más datos, que permitirán mejorar mucho el conocimiento actual de la gravedad y de la energía oscura».
Una energía oscura que evoluciona con el tiempo
El experimento DESI se encuentra actualmente en el cuarto de los cinco años previstos de toma de datos, y el objetivo de quienes lo dirigen es haber cartografiado unos 40 millones de galaxias y cuásares cuando el proyecto finalice.
La colaboración ya está analizando los datos de los primeros tres años, y se prevé que los nuevos resultados que se obtengan se presenten en la primavera de 2025 y actualicen las medidas existentes sobre la energía oscura y la historia de la expansión del universo. Los resultados que se han presentado ahora son consistentes con los anteriores hallazgos sobre una ligera preferencia por una energía oscura que evoluciona con el tiempo, lo que aumenta el interés por conocer los resultados de los análisis actuales.
«La distribución de las galaxias sugiere la presencia de materia y energía oscuras, que son en gran medida un misterio para nosotros —explica Hui Kong, investigadora postdoctoral del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) que trabajó en la preparación de los catálogos de galaxias. Y concluye—: Sin embargo, las mediciones precisas que proporciona el DESI ofrecen información prometedora sobre estas cuestiones fundamentales en torno al universo». ▪️
Información facilitada por la Universidad de Barcelona
