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Los “gravitones”, portadores de fuerza con masa, podrían ser de ayuda para explicar la aceleración de la expansión del Universo

El lema de Wall Street “La codicia es buena” podría ser adoptado pronto por los cosmólogos para explicar el origen de la energía oscura, la misteriosa entidad que está acelerando la expansión del Universo.

En una reunión de cosmología la semana pasada en Cambridge, Reino Unido, los asistentes debatieron un tipo de teorías que desata controversia en las que la gravedad es llevada por una partícula hipotética llamada “gravitón”, que tiene una pequeña masa, que sigue sin desaparecer. Una partícula así tiende a engullir grandes cantidades de energía a partir de la estructura del espacio, lo que permite que el Universo se expanda a un ritmo acelerado, aunque no destructivo.

Desde que los astrónomos descubrieron en la década de los ’90 que se está acelerando la expansión del Universo, los investigadores han tenido dificultades para explicar no sólo la naturaleza de la entidad hipotética —apodada energía oscura— que causa la aceleración, sino también por qué la aceleración es tan débil.

Una de sus mejores conjeturas es que la energía oscura es una propiedad inherente del vacío del espacio. La física de partículas predice la existencia de una energía así del vacío, pero debería ser la friolera de 10120 veces más grande que lo que se necesita para explicar la aceleración observada por los astrónomos. Si la energía oscura fuera tan grande, el universo se habría desgarrado mucho antes de que las estrellas y galaxias se formaran.

En 2010, Claudia de Rham, una cosmóloga en la Universidad Case Western Reserve en Cleveland, Ohio, y sus colegas, llegaron a la sorprendente sugerencia de que la energía oscura podría ser la energía del vacío si la mayor parte fuese tragada por la hipotética partícula “gravitón”. En general, los físicos creen que no debe haber partículas elementales llamadas gravitones, que transportan la fuerza de gravedad, tal como las conocidas partículas similares que transportan las otras tres fuerzas fundamentales de la naturaleza: el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil, que gobierna la radiactividad, y la fuerte la fuerza nuclear, que pega las partículas subatómicas juntas dentro de los núcleos.

El rango sobre el que actúan las fuerzas se rige por la masa de sus partículas. El electromagnetismo, por ejemplo, es transportado por partículas de luz sin masa, o fotones, lo que les da un rango infinito de alcance, mientras que las partículas W y Z, que llevan la fuerza nuclear débil tienen masa, y su alcance se limita a la escala de las interacciones subatómicas.

La mayoría de los físicos han asumido que el gravitón no tendría masa, como el fotón, y así el alcance de la gravedad puede extenderse a través del Universo. “Sabemos que la gravedad es de largo alcance, porque sentimos la gravedad del Sol… y que establece una cota de qué tan grande podría ser el gravitón”, dice de Rham. Ella y sus colegas se dieron cuenta, sin embargo, que si al gravitón se le asignaba una pequeña masa de menos de 10-33 electronvoltios, todavía podría encajar con todas las observaciones astronómicas. (En comparación, los neutrinos, las partículas con la masa no nula más pequeña conocida, tienen masas del orden de 1 electronvolt, y el electrón tiene una masa de aproximadamente 511.000 electronvoltios.)

Un gravitón enorme —en contraposición a sin masa— ganaría su peso por la ingestión de la casi totalidad de la energía del vacío, dejando sólo una pequeña fracción de energía oscura como para hacer que el universo se acelere hacia el exterior.

Oscuro misterio

Cuando el equipo de de Rham hizo público por primera vez su modelo de gravitón, de inmediato causó revuelo, porque hay pocas buenas soluciones al rompecabezas de la energía oscura, dice Mark Wyman, cosmólogo de la Universidad de Nueva York. “De repente hay una clase de teorías que tienen verdadera oportunidad enfrentarlo”, dice. Por otra parte, los gravitones masivos explicarían el mayor misterio del universo sin necesidad de añadir partículas nuevas y exóticas, o dimensiones extra del espacio, haciendo de esta una “solución minimalista”, como lo describe de Rham.

Pero la idea casi había “muerto en la cuna”, agrega Wyman, cuando los físicos comenzaron a analizarla y a encontrar posibles problemas. Una preocupación fue que la teoría puede contener “fantasmas” ocultos —campos que contienen la energía negativa y no puede existir en la realidad—, pero otros han cuestionado esta preocupación. “Utilizamos el término ‘fantasmas’ ya que dan mucho miedo y pueden destruir cualquier teoría si se presentan”, dice de Rham, que permanece firme en que su modelo está libre de fantasmas.

Los investigadores han propuesto un gran número de otras variaciones sin fantasmas en el tema original de de Rham. En 2011, por ejemplo, los cosmólogos Sayed Fawad Hassan, de la Universidad de Estocolmo, y Rachel Rosen, de la Universidad de Columbia en Nueva York, propusieron la combinación de dos tipos de gravitones, una masiva y la otra sin masa, en un solo modelo. Sin embargo, esto requeriría un universo donde el espacio esté hecho de dos tejidos superpuestos que interactúan entre sí.

En la reunión de Cambridge, varios cosmólogos, incluyendo de Rham, presentaron de forma independiente una serie de modelos en los que la interacción entre los dos tejidos podría poner naturalmente el espacio-tiempo en estado de aceleración. Esto generaría el efecto de la energía oscura que los astrónomos han observado a través de un mecanismo alternativo que no requiere ninguna energía del vacío.

La clave para determinar si se sostendrán unas teorías será calcular si hacen predicciones comprobables para distinguir gravedad masiva de la cosmología estándar, dice de Rham. Estos experimentos podrían llevarse a cabo pronto en el Sistema Solar, porque los modelos masivos de gravedad predicen un campo gravitacional entre la Tierra y la Luna, que es ligeramente diferente al de la gravedad normal. Esto crearía una diferencia detectable de una parte en 1012 en la precesión de la órbita de la Luna alrededor de la Tierra.

Los experimentos que disparan láseres de ida y vuelta entre la Tierra y los espejos dejados en la Luna miden en la actualidad la distancia entre los dos cuerpos y el ángulo con una precisión de una parte en 1011. “Estamos justo al borde de poder probar la gravedad masiva”, dice de Rham.

Hasta que se encuentre esta evidencia experimental, sin embargo, algunos siguen siendo escépticos de la idea entera de la gravedad masiva. Viatcheslav Mukhanov, cosmólogo de la Universidad Ludwig-Maximilians- Universität de Munich, Alemania, dice que a pesar de que se sentía atraído inicialmente a la teoría de la gravedad masiva por su simplicidad, engancharse en nuevos espacios-tiempo y agregar gravitones adicionales hace que sea demasiado artificial. “Creo que el problema de la energía oscura requerirá una solución más elegante”, dice.

Pero la elegancia es una cuestión de gusto, dice Wyman. “Si se puede resolver en un único modelo convincente que explica la energía oscura, creo que la gente tendrá que tomar nota”, dice. “Lo que pase en los próximos meses decidirá si la teoría tiene alguna relevancia para el mundo real, o si es sólo un flash”.

Nature doi: 10.1038/nature.2013.13707

Fuente: Nature. Aportado por Eduardo J. Carletti

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