La comprobación de la validez de la Relatividad General a escala del universo

Estamos a punto de ser capaces de ver la estructura de todo el universo. Esto podría ayudarnos a ir más allá de la obra maestra de Einstein, dice Pedro Ferreira, autor de este trabajo

Mientras nos acercamos al centenario de la teoría general de la relatividad de Einstein, está en marcha una revolución silenciosa. Una cantidad de grupos en todo el mundo está tratanso de comprobar la validez de la Relatividad General a escala del universo. Hasta el momento las pruebas no son concluyentes, sin embargo, anuncian un cambio radical en la forma de percibir la teoría de Einstein.

La comprobación de la Relatividad General se está convirtiendo rápidamente en uno de los principales esfuerzos que se están desarrollando con algunos de los satélites más potentes y en experimentos con base en tierra.

La Teoría General de la Relatividad de Einstein nos ha sido muy útil. Sin embargo, ¿qué pasa si no es tan acertada? No me malinterpreten, esta teoría tiene un notable éxito en explicar muchos fenómenos diferentes: nos permite calcular las órbitas de los planetas del Sistema Solar con una precisión extraordinaria. También nos permite saber cómo se desvía la luz a causa de la deformación del espacio-tiempo alrededor de las estrellas y planetas. Pero, ¿podría ser que hubiésemos forzado la Relatividad General al tratar de predecir la evolución del universo?

Un hecho sorprendente es que la Relatividad General se haya mantenido sin cambios desde que Einstein la propuso en 1915. En su núcleo está la compresión que tenemos de la fuerza de la gravedad. Einstein propuso la idea de que no hay algo que sea una fuerza de la gravedad en sí. En cambio, lo que percibimos como gravedad es 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, éste se deformará. La teoría general de la relatividad nos aporta reglas únicas y exactas para calcular la magnitud de esta deformación.

Estas reglas están firmes hoy, y hemos estado durante mucho tiempo sacándoles provecho, extrayendo predicciones que van desde los agujeros negros al Big Bang. Una de las primeras predicciones que emergieron fue la idea de que el universo está en expansión. Las galaxias lekanas se están apartando de nosotros y también se alejan 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 las observaciones cada vez mejores nos han permitido desentrañar la historia del universo en expansión con una precisión cada vez mayor.

Pero ahí está el problema. Si es correcta la Relatividad General, debe aportar algunas explicaciones. Las observaciones parecen indicar que el universo no sólo se está expandiendo, sino que su expansión se acelera. Esto, que no entra en conflicto con la relatividad, sugiere que hay algo más por ahí, una forma «oscura» de energía que impulsa al espacio a separarse así. De acuerdo con los cálculos basados en la teoría, las dos terceras partes de la suma total de energía del universo debería estar compuesta de esta elusiva energía oscura.

Mentes suspicaces

El problema es que las observaciones hechas hasta el momento no han hallado ninguna indicación de qué es la energía oscura y cuál es su papel en las diferentes épocas de la historia del universo. Se planifican nuevas misiones para abordar estas cuestiones. Pero hasta que logremos esta información, es posible que el concepto de energía oscura esté ocultando algo fundamentalmente erróneo en nuestro concepto de la gravedad.

Por lo tanto, ¿será posible que hayamos alcanzado al límite de la tremenda visión de Einstein y que se necesite una nueva teoría? No sería la primera vez que han surgido sospechas sobre su exactitud y completitud; luminarias tales como Paul Dirac y Andrei Sakharov han cuestionado la teoría.

A pesar de la cantidad de alternativas, la teoría de Einstein ha seguido siendo la favorita. Continúa siendo, lejos, la propuesta más simple y elegante para explicar cómo se comporta el espacio-tiempo. Por otra parte, la energía oscura parece encajar con los ricos datos cosmológicos que hemos acumulado a lo largo de las últimas décadas.

La cosa es que, por primera vez en casi 100 años, existe ahora una posibilidad real de probar la teoría de Einstein a escala del universo. Para hacerlo, tenemos que encontrar una teoría más potente que incluya la Relatividad General o tome más seriamente una de las alternativas.

La idea es estudiar en detalle cómo se desarrollan las grandes y complejas estructuras en el universo. El paradigma actual es que son impulsadas principalmen por el colapso gravitatorio, lo cual explica la Relatividad General: en áreas donde hay más galaxias, el espacio se deforma de una manera que arrastra aún más galaxias, llevando a concentraciones masivas de luz y energía, en forma de cúmulos y supercúmulos. Por el contrario, las regiones de espacio vacío tenderán a estar aún más vacías, produciendo como resultado vacíos cósmicos de proporciones gigantescas. La trama que forman las regiones llenas y las vacías se empieza a conocer como «red cósmica».

En las últimas décadas hubo un explosivo crecimiento de nuestra comprensión de la red cósmica. Grandes relevamientos de galaxias, como el 2-degree-Field Survey y el Sloan Digital Sky Survey, han producido detallados mapas de la estructura del universo, identificando con cuidado la manera en que los cúmulos, muros, filamentos y vacíos se distribuyen alrededor de nosotros. Más aún, se han creado mapas del universo en diferentes longitudes de onda, incluyendo las realizadas por el satélite WMAP y el telescopio espacial Herschel, que muestran como se veía el cosmos en diferentes momentos. Esto nos permitirá cómo el colapso gravitacional ha jugado un papel en las diferentes épocas de la historia del universo.

Dado que el principal impulso detrás de la red cósmica es la gravedad, no es una sorpresa que los detalles finos de la estructura e historia de la red se puedan utilizar para buscar las desviaciones respecto de la Relatividad General. Estudiando cuán rápida es su evolución y mapeando cómo distorsiona el espacio-tiempo circundante los rayos de luz, debería ser posible dilucidar hasta las más pequeñas discrepancias en cómo se comporta la gravedad. Esto es lo que ha comenzado a suceder.

El primer paso crucial fue dado por Luigi Guzzo y su equipo, en el Observatorio Astronómico de Brera en Merate, Italia, en el 2008. Los investigadores tomaron un catálogo de 10.000 débiles galaxias, medidas cuando el universo tenía aproximadamente la mitad de su edad actual, y estudiaron cómo se movieron estas galaxias en relación con las demás. El equipo calculó a qué velocidad parece haber ocurrido el colapso gravitacional en esos primeros tiempos, y después utilizaron esto para mostrar que algunas de las alternativas propuestas a la teoría de Einstein simplemente no funcionan. La investigación de Guzzo demostró que estos estudios tan detallados de la red cósmica podrían ser remarcablemente eficaces en el sondeo de 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 del 2009. Ella dejó de lado la idea de que la Relatividad General es sacrosabta y en cambio colocó las modificaciones a la relatividad en pie de igualdad con todos los otros parámetros cosmológicos. Luego buscó evidencias en los datos que aprobaran o refutaran la teoría de Einstein.

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

Tentadoramente, los análisis preliminares del equipo sugirieron unas alentadoras evidencias de desviaciones de la teoría de Einstein (New Scientist, 24 de octubre de 2009, p 8). Sin embargo, el trabajo posterior del grupo demostró que la teoría de Einstein se mantenía en juego y consistente con todas las mediciones cosmológicas. Lo que queda en claro del trabajo de Bean es que una gran cantidad de observaciones de alta calidad nos permitirán determinar límites muy estrictos a la teoría de Einstein, o descubrir las desviaciones.

A los resultados de Bean les siguió una oleada de resultados de otros grupos. Por ejemplo, Reinabelle Reyes, de la Universidad de Princeton, y sus colaboradores, dieron otro paso adelante utilizando un método particularmente ajustado para dilucidar modificaciones a la relatividad general (Nature, vol 464, p 256). Su equipo, también, encontró que prevalece la teoría de Einstein, y que los resultados descartan una clase de teorías alternativas que Guzzo no había comprobado, a pesar de que aún permiten una serie de otras modificaciones.

Las conclusiones de Reyes han tenido eco en dos análisis recientes de una cantidad aún más grande de datos. La Relatividad General sigue siendo el candidato ganador para ser la teoría de la gravedad, de acuerdo con los equipos de 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 estar pasando exitosamente estas pruebas, no podemos descartar todas las alternativas. Como pasa en otros campos de la física, la teoría de Einstein se puede considerar una hipótesis dentro de una amplia gama de posibilidades que abarcan teorías alternativas. Con las pruebas experimentales actuales estamos descubriendo cuán lejos podemos desviarnos de la Relatividad General.

Por ahora sólo se puede decir que los resultados favorecen levemente a la relatividad general. Pero estamos en un punto de inflexión en la manera en que estudiamos la física del universo. Por la primera vez podemos probar, realmente, una de nuestras teorías más básicas y profundas, y la que más ha guiado e impulsado el desarrollo de la cosmología.

Estas comprobaciones de la Relatividad General están impulsando importantes proyectos astronómicos. El relevamiento VIPERS del Observatorio Europeo del Sur 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, está líderando el relevamiento GAMA, que recopila observaciones de 250.000 galaxias desde telescopios de todo el mundo. El ensamble de estos detallados mapas nos permitirá reconstruir la historia de la gravedad y cómo ha ido dando forma a la complejidad de nuestro universo. En una escala mucho más ambiciosa está la misión Euclides, un observatorio satelital que está en consideración de la Agencia Espacial Europea. Si el proyecto se aprueba, se lanzará alrededor del 2018, y maperará las posiciones de hasta mil millones de galaxias, aportando un impresionante mapa de los cielos.

Hemos ongresado en una era realmente emocionante y empezamos a mirar críticamente a uno de los pilares de la física moderna. La teoría general de la relatividad está atrás de casi todos los descubrimientos de la cosmología moderna. Pero ahora podemos dar ese repaso y comprobar si hemos acertado, o si las ideas de pesos pesados como Paul Dirac, Andrei Sakharov, Theodor Kaluza y Oskar Klein pudieran tener hoy algo de realidad en cómo el universo se estructura a las más grandes escalas.

Los reemplazos de la Relatividad

El teórico británico Paul Dirac dedicó una gran parte de los últimos años de su vida a romper la compleja estructura de la Relatividad General. Estaba intrigado por la extraordinaria similitud entre algunos grandes números en el universo, y también por el hecho de que el tamaño y la energía total del universo visible parecían tener relación con la fuerza de la gravedad en la superficie de la Tierra. Para Dirac, la teoría de Einstein era incompleta porque era incapaz de explicar esas coincidencias; él sentía que podría haber algo más con la gravedad.

Así que en 1938 propuso un cambio a la Relatividad General. Aunque seguiría siendo una teoría del espacio y del tiempo, su intensidad podría variar de un lugar a otro, como si el tejido real del espacio-tiempo tuviese una fuerza diferente dependiendo de donde uno estuviese. Una estrella en cierto lugar, entonces, podría curvar el espacio alrededor de él en cierta cantidad, mientras que una estrella idéntica en un área diferente podría curvar más el espacio, o menos.

Dirac pudo hacer lo que muy pocos han logrado desde entonces: sembrar las semillas de una teoría alternativa. Ésta fue tomada más tarde por algunos investigadores de la década de los 60. Conocida como la teoría escalar-tensor de la gravedad, es estudiada activamente en la actualidad.

Una idea completamente diferente se estaba gestando en la Unión Soviética en la década de los 60. El físico Andrei Sajarov conjeturó que el espacio y el tiempo estarían mucho más retorcidos y deformados a escala microscópica de lo previsto. Su idea era simple: cuando miramos a escala atómica y subatómica, entra en juego la física cuántica, y esto significa que, al igual que los niños en un viaje largo en auto, no puede estarse quieta. Sajarov razonó que podemos aplicar el mismo principio al espacio-tiempo y que si fuéramos capaces de verlo a escalas subatómicas, no sería continuo, sino más como una espuma: una espuma cuántica.

Sajarov sugirió que la teoría de Einstein tendría que ser cambiada si se tiene en cuenta la naturaleza espumosa del espacio-tiempo. Si bien esto estuvo motivado por lo que sucede a pequeña escala, en los últimos años se ha visto un resurgimiento de la idea aplicada a todas las escalas, incluso los más grandes.

Otro desarrollo reciente importante ha sido la idea de que el universo puede tener más de tres dimensiones espaciales. Aunque esto fue sugerido por primera vez por Theodor Kaluza y Oskar Klein en la década de 1920, ha recibido una nueva vida gracias a los avances en el campo de la teoría de cuerdas.

En 2001, los físicos Gia Dvali, Gabadadze Gregorio y Massimo Porrati de la Universidad de Nueva York propusieron que vivimos en una superficie tridimensional, conocida como una brana, dentro de un mundo de dimensiones superiores llamado "bulto" (bulk en inglés). Todas las fuerzas fundamentales que experimentamos estarían limitadas a la brana, excepto la gravedad, que puede filtrarse. Dvali y sus colegas razonaron que la gravedad se vería afectada por lo que ocurre en la brana y en el «bulto».

Según este planteo, la Relatividad General sigue siendo una descripción precisa de la fuerza de la gravedad a la escala del Sistema Solar, galaxias, e incluso de los cúmulos de galaxias. Sin embargo, la intrincada interacción entre el «bulto» y la brana y entra en vigor cuando observamos el universo visible en su conjunto, y esto puede afectar severaemente a la gravedad. Como resultado, la teoría de Einstein es modificada a escalas muy grandes.

El autor de este artículo, Pedro Ferreira, es profesor de astrofísica en la Universidad de Oxford y miembro de la Escuela de Oxford Martin. Su sitio web es pedroferreira.co.uk

Fuente: New Scientist. Aportado por Eduardo J. Carletti

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