¿Qué es la gravedad? Un nuevo estudio del universo demuestra que Einstein tenía razón

Comprender la gravedad ha sido un reto para los físicos durante siglos. Los primeros pasos para comprender esta interacción fundamental comenzaron con Isaac Newton y fueron desarrollados por Albert Einstein siglos más tarde. La Relatividad General de Albert Einstein es la teoría que mejor explica la naturaleza de la gravedad. Con ella, Einstein describe la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo causada por la presencia de masa y energía.

A pesar del éxito de la Relatividad General para escalas más pequeñas, aún queda la duda de si esta teoría puede describir escalas cosmológicas. Principalmente, los conceptos de energía oscura y materia oscura, que juntos constituyen el 95 % del universo. La naturaleza de ambos sigue siendo desconocida y algunos astrofísicos se preguntan si el problema reside en los modelos actuales que describen el universo, incluida la Relatividad General.

Uno de los principales interrogantes es si la Relatividad General funciona a escalas cosmológicas, y varios proyectos pretenden responder a esta pregunta. Recientemente se han publicado nuevos resultados del DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). Destacan dos resultados importantes, uno de los cuales es la confirmación de las predicciones de la Relatividad General a grandes escalas y un límite a la masa de los neutrinos.

¿Qué es la gravedad?

La gravedad es una de las cuatro interacciones fundamentales en la naturaleza. Esta interacción tiene un comportamiento atractivo donde se encarga de atraer objetos con masa entre sí. Es la interacción más dominante a escala galáctica y es responsable de mantenernos atados a la superficie de la Tierra. El sistema solar también está dominado por la gravedad y los planetas orbitan alrededor del Sol debido a la interacción.

Hoy en día, la descripción más general de la gravedad es la Teoría General de la Relatividad, propuesta por Albert Einstein. Según Einstein, la gravedad tiene una naturaleza geométrica y los cuerpos masivos deforman el espacio-tiempo. Sin embargo, la gravedad aún deja preguntas abiertas, especialmente en lo que respecta a la unión con otras interacciones. Además, la gravedad parece ser la única interacción sin una partícula mediadora.

Relatividad general

La Relatividad General fue propuesta por Albert Einstein en 1915 y fue una continuación de su trabajo de 1908, donde introdujo la Relatividad Especial. Mientras que la Relatividad Especial se ocupaba del espacio-tiempo plano, la Relatividad General se expandió a situaciones en las que el espacio-tiempo sería curvo. Einstein demostró que la distribución de masa y energía en una región determinada es responsable de la curvatura del espacio-tiempo.

Esta curvatura sería el fenómeno que conocemos como gravedad, es decir, que estamos pegados a la superficie terrestre porque la masa de la Tierra distorsiona el espacio-tiempo. La teoría de Einstein se confirmó cuatro años más tarde con las observaciones de un eclipse. Además, la Relatividad General permitió el descubrimiento de objetos como los agujeros negros y también una descripción cosmológica del tejido del universo.

Misterios del universo

La materia oscura y la energía oscura se consideran algunos de los mayores misterios del universo. A pesar del nombre similar, son conceptos diferentes con comportamientos completamente diferentes. La materia oscura es una forma de materia previamente desconocida que no interactúa de ninguna manera excepto gravitacionalmente. La energía oscura sería la causante de la aceleración de la expansión del universo, actuando en contra de la gravedad.

Aunque la Relatividad General describe cómo actúa la gravedad a gran escala, no explica completamente la naturaleza de la materia y la energía oscuras. Algunas teorías alternativas, como la de la gravedad modificada, intentan explicar la materia y la energía oscuras. Sin embargo, hasta la fecha ningún modelo ha tenido éxito total en esta búsqueda, pero recientemente la Relatividad General ha ganado otro punto en la explicación del universo a gran escala.

DESI

DESI (Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura) es un proyecto creado para mapear la estructura del universo en tres dimensiones y responder preguntas sobre la energía oscura. Fue instalado en el telescopio Mayall del Observatorio Nacional Kitt Peak ubicado en Estados Unidos. DESI cuenta con 5.000 fibras ópticas que permiten la observación simultánea de diferentes objetos como galaxias y quásares.

La física detrás de DESI se basa en el efecto llamado corrimiento al rojo donde el alargamiento de la longitud de onda de la luz, proveniente de objetos distantes, indica su velocidad y distancia en relación a la Tierra. Al medir el corrimiento al rojo de millones de galaxias, DESI puede mapear la distribución 3D del universo e identificar algunas agrupaciones. Al estudiar estas observaciones, es posible comprender cómo actúa la materia oscura en los cúmulos y cómo actúa la energía oscura en la expansión del universo.

Resultados de DESI

Con alrededor de 6 millones de galaxias y quásares observados, ha sido posible estudiar la evolución del universo desde unos 3 mil millones de años después del Big Bang. Estas observaciones coincidieron con las predicciones hechas por la Relatividad General incluso para escalas cosmológicas. La tasa de formación y distribución de galaxias concuerda con las predicciones realizadas por modelos que incluyen la Relatividad General.

Además, los resultados actualizados de DESI también incluyen un estudio de partículas llamadas neutrinos que se conocen como "partículas fantasma". Los neutrinos son partículas muy ligeras que durante un tiempo algunos pensaron que no tenían masa. Sin embargo, los experimentos han encontrado la masa del neutrino y un límite inferior. DESI encontró una estimación del límite superior de masa de neutrinos.

Referencia de la noticia:
DESI Collaboration et al. DESI 2024 V: Full-Shape Galaxy Clustering from Galaxies and Quasars arXiv