Repensando la relatividad: ¿Está desarticulado el tiempo?

Desde que Arthur Eddington viajara hasta la isla Príncipe fuera de África para medir la luz estelar curvándose alrededor del Sol durante un eclipse en 1919, la evidencia que respalda la Teoría General de la Rrelatividad de Einstein se ha vuelto más y más fuerte. ¿Es posible que la luz de galaxias lejanas ilumine fisuras en el fundamento de la teoría?

Todo, desde el concepto de los agujeros negros hasta la coordinación de un GPS, tiene una deuda con la Teoría General de la Relatividad. Ésta describe cómo la gravedad surge de la geometría del espacio y el tiempo. El campo gravitacional del Sol, por ejemplo, tuerce la luz estelar que pasa cerca porque su masa está combando el espacio-tiempo que la rodea. Esta teoría ha soportado pruebas precisas en el Sistema Solar y más allá. También lo ha explicado todo, desde la órbita extraña de Mercurio hasta la forma en que pares de estrellas de neutrones llevan a cabo su pas de deux.

Sin embargo todavía no está claro qué tan bien se sostiene a escalas cósmicas, a distancias mucho más grandes que la extensión de galaxias individuales. Ahora se ha encontrado la primera insinuación de desviación de la Relatividad General. Mientras que la evidencia está lejos de ser hermética, de ser confirmada por mayores sondeos, podría indicar que la teoría de Einstein es incompleta, o quizás que la energía oscura, aquello que se considera está acelerando la expansión del universo, es mucho más extraña de lo que creemos.

El análisis de la información de la luz estelar realizado por la cosmóloga Rachel Bean de la Universidad de Cornell ha generado cierta conmoción. Poco después de que el artículo fuera publicado en el archivo de pre-prensa de física (Arxiv), el prominente físico Sean Carroll del Instituto de Tecnología de California elogió la investigación de Bean. «Este es un trabajo serio de una respetada cosmóloga», escribió en su blog, Cosmic Variance. «Aunque el resultado sea erróneo, y debemos trabajar duro para descubrir por qué; o si es correcto y estamos en la cúspide de una revolución».

«Ha causado cierto furor en los circulos astronómicos», dice Richard Massey del Real Observatorio de Edimburgo, en el Reino Unido. «Este artículo ha generado mucho interés».

Bean encontró su evidencia merodeando en información existente recolectada por la medición de la evolución cósmica (COSMOS), un proyecto formación de imágenes que incluye la observación más extensa realizada hasta ahora por el Telescopio Espacial Hubble. COSMOS, que detectó más de 2 millones de galaxias dentro de un pequeño espacio en el cielo, toma ventaja de la habilidad de la gravedad para torcer la luz. Los objetos masivos tales como los cúmulos galácticos tuercen la luz de objetos distantes, y así es dirigida hacia la Tierra o en la dirección contraria. Este efecto, llamado lente gravitacional, es cuando se crean efectos caleidoscópicos como anillos luminosos o la apariencia de múltiples copias de una galaxia.

El cielo también está dominado por efectos distorsionadores de «lente débil», en el cual la materia interviniente dobla la luz y altera levemente las formas y orientaciones de las galaxias distantes, creando un efecto similar al de mirar a través del vidrio de una vieja ventana. Dado que las galaxias tienen diferentes formas y colores, es difícil saber si la luz de una de ellas ha sido distorsionada, porque no existe nada con lo que compararla. Pero al buscar factores comunes en la distorsión de varias galaxias, es posible construir un mapa de la materia visible e inclusive la materia no vista que dobla su luz.

Ser puede considerar El efecto de lente débil para medir dos efectos diferentes de la gravedad. La relatividad general denomina que la curvatura de gravedad del espacio es equivalente a su curvatura de tiempo. La luz debe estar influenciada por ambos (espacio y tiempo) en cantidades iguales.

Cuando se divulgó en 2007 la información de COSMOS, el equipo (liderado por Massey) asumió que estos dos factores eran equivalentes. Su análisis reveló que los tirones gravitacionales sobre la luz eran más fuertes de lo que se había anticipado. Esto fue adjudicado a una concentración levemente superior a la anticipada de materia normal y oscura dentro del espacio observado.

Para buscar potenciales desviaciones de la relatividad general, Bean analizó nuevamente la información y dejó de lado el requerimiento de que estos dos componentes de la gravedad debieran ser iguales. En lugar de eso, permitió que la proporción de ambos pudiera cambiar de valor. Encontró que hace entre 8 y 11 mil millones de años la distorsión gravitacional del tiempo parecía ser tres veces tan fuerte que su habilidad para curvar el espacio. Un observador no podría haber notado el efecto porque sólo vale sobre largas distancias. No obstante, «hay una preferencia por una significativa desviación de la relatividad general», dice Bean (www.arxiv.org/abs/0909.3853).

En este nivel, es difícil decir lo que podría pasar si fuese confirmada la desviación de la relatividad general. Los cosmólogos ya han considerado algunas modificaciones que podrían explicar la aceleración del universo.

Aún así, encontrar una desviación cuando el universo tenía menos de la mitad de su edad actual es extraño (si la relatividad general se ha roto en algún nivel, los signos deberían ser dramáticos recientemente, mucho después de que el efecto repulsivo de la energía oscura sobrepasara el poder atractivo de la gravedad hace unos 6 mil millones de años).

La mayoría de los astrónomos, incluyendo Bean, son cautelosos acerca de los resultados. «Nadie está apostando dinero sobre si el efecto es real», dice el cosmólogo Dragan Huterer, de la Universidad de Michigan. Se deberían desestimar otras explicaciones, como un error en la técnica usada para estimar las distancias de las galaxias.

Aunque COSMOS fotografió una profundo área del cielo, fue ciertamente pequeña según los estándares de las mediciones modernas. Esto abre la posibilidad de que esa región pueda ser anómala, menciona Asantha Cooray, astrofísico de la Universidad de California. «Podrías tener un clúster de galaxias masivo, que puede aumentar el efecto de lente débil. O, por una circunstancia casual, podrías tener más materia oscura», dice Cooray, parte de un equipo que analizó otra información obtenida con el Telescopio Canadá-Francia-Hawaii ubicado en Hawaii y no descubrió señales de desvío de la relatividad general. «El único camino a tomar en cuenta es observar la información en un campo de mayor tamaño».

Proyectos futuros escanearán áreas mucho más amplias del cielo y colectarán imágenes de una mayor cantidad de galaxias. Por ejemplo, está lista para comenzar una medición de energía oscura que observará el cielo a partir del 2011 y construirá una imagen aún más precisa de cómo se ha torcido la luz en el curso de la historia del universo.

Ya sea que estas mediciones encuentren el efecto o no, Bean confía en que su paper generará más interés en la idea de usar el efecto de lente débil para comprobar la relatividad general. «No estoy poniendo mi bandera ahí afuera y diciendo que eso es una cosa real», dice Bean. «Debemos mirar más series de información. Ésta es realmente la primera etapa para intentar testear la gravedad de esta manera».

Massey acuerda: «En este momento estamos en el punto de intentar introducirnos en la relatividad general para encontrar las grietas en su armazón, para encontrar cualquier lugar donde pueda no estar funcionando.

No energía oscura, fluido oscuro

La materia oscura podría ser aún más extraña de lo que pensamos. La evidencia de que a largas distancias la gravedad ejerce un empujón mayor sobre el tiempo que sobre el espacio no necesariamente sugeriría que la teoría de relatividad general está equivocada. En lugar de eso, puede ser un signo de que la aceleración del universo puede requerir una explicación más exótica.

La vía simple para explicar la aceleración del universo es invocar una constante cosmológica, originalmente propuesta por Einstein, para permitir que el universo mantenga el mismo tamaño en la presencia de materia. Esto describe un universo lleno con una energía que empuje uniformente hacia afuera. Pero existen otras explicaciones posibles para la aceleración.

Una idea es que el universo entero existe sobre una membrana que flota dentro de una dimensión extra. Mientras que la materia esté confinada a las tres dimensiones, la gravedad podría estar filtrándose dentro de esta dimensión extra. Cuando el universo se vuelva lo suficientemente grande, esta gravedad podría interactuar con la materia en la membrana para producir aceleración en escalas mayores.

Una desviación podría también ser señal de que la energía oscura es un «fluido» más complejo que empuja con variación de presión en diferentes direcciones. El inconveniente es que puede ser engañoso diferenciar entre una forma exótica de energía oscura y una modificación a nuestra comprensión de la gravedad.

«Si fueramos a detectar una desviación de la norma», dice la cosmologista Alessandra Silvestri del MIT, podríamos no ser capaces de decir si es un error en la relatividad general o sólo evidencia de que la energía oscura es «un tipo de líquido raro».

Fuente: New Scientist. Aportado por Matías Buonfrate

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