Publicada en 1915, la teoría de la relatividad general (GR) de Einstein pasó su primera gran prueba solo unos años más tarde, cuando se observó la desviación gravitacional pronosticada de la luz que pasaba cerca del Sol durante el eclipse solar de 1919.
En 1960, GR pasó su primera gran prueba en un laboratorio, aquí en la Tierra; El experimento Libra-Rebka. Y durante las nueve décadas desde su publicación, GR ha pasado prueba tras prueba tras prueba, siempre con gran éxito (consulte esta revisión para obtener un resumen excelente).
Pero las pruebas siempre han sido dentro del sistema solar, o indirectamente.
Ahora, un equipo dirigido por científicos de la Universidad de Princeton ha probado GR para ver si es cierto a escalas cósmicas. Y, después de dos años de analizar datos astronómicos, los científicos han concluido que la teoría de Einstein funciona tan bien en grandes distancias como en más regiones locales del espacio.
El análisis de los científicos de más de 70,000 galaxias demuestra que el universo, al menos a una distancia de 3,5 mil millones de años luz de la Tierra, cumple con las reglas establecidas por Einstein en su famosa teoría. Si bien GR ha sido aceptado por la comunidad científica durante más de nueve décadas, hasta ahora nadie había probado la teoría de manera tan completa y sólida a distancias y escalas que van mucho más allá del sistema solar.
Reinabelle Reyes, estudiante graduada de Princeton en el Departamento de Ciencias Astrofísicas, junto con los coautores Rachel Mandelbaum, investigadora asociada y James Gunn, profesor de astronomía de Eugene Higgins, describieron su evaluación en la edición del 11 de marzo de Nature.
Otros científicos que colaboran en el artículo incluyen Tobias Baldauf, Lucas Lombriser y Robert Smith de la Universidad de Zurich y Uros Seljak de la Universidad de California-Berkeley.
Los resultados son importantes, dijeron, porque apuntalan las teorías actuales que explican la forma y la dirección del universo, incluidas las ideas sobre la energía oscura, y disipan algunos indicios de otros experimentos recientes de que la relatividad general puede estar equivocada.
"Todas nuestras ideas en astronomía se basan en esta enorme extrapolación, por lo que cualquier cosa que podamos hacer para ver si esto es correcto o no en estas escalas es enormemente importante", dijo Gunn. "Agrega otro ladrillo a la base que subyace a lo que hacemos".
GR es una, de dos, teorías centrales que subyacen a toda la astrofísica y cosmología contemporánea (el otro es el Modelo Estándar de física de partículas, una teoría cuántica); explica todo, desde los agujeros negros hasta el Big Bang.
En los últimos años, se han propuesto varias alternativas a la relatividad general. Estas teorías modificadas de la gravedad se apartan de la relatividad general a gran escala para evitar la necesidad de energía oscura, materia oscura o ambas. Pero debido a que estas teorías fueron diseñadas para coincidir con las predicciones de la relatividad general sobre la historia de expansión del universo, un factor que es central para el trabajo cosmológico actual, se ha vuelto crucial saber qué teoría es correcta, o al menos representa la realidad de la mejor manera posible. Puede ser aproximado.
"Sabíamos que necesitábamos observar la estructura a gran escala del universo y el crecimiento de estructuras más pequeñas que lo componen con el tiempo para descubrirlo", dijo Reyes. El equipo utilizó datos del Sloan Digital Sky Survey (SDSS), un proyecto de telescopio multiinstitucional a largo plazo que mapea el cielo para determinar la posición y el brillo de varios cientos de millones de galaxias y cuásares.
Mediante el cálculo de la agrupación de estas galaxias, que se extienden casi un tercio del camino hasta el borde del universo, y analizando sus velocidades y distorsiones del material que interviene, debido a lentes débiles, principalmente por materia oscura, los investigadores han demostrado que Einstein La teoría explica el universo cercano mejor que las teorías alternativas de la gravedad.
Los científicos de Princeton estudiaron los efectos de la gravedad en las galaxias y cúmulos de galaxias SDSS durante largos períodos de tiempo. Observaron cómo esta fuerza fundamental impulsa a las galaxias a agruparse en colecciones más grandes de galaxias y cómo da forma a la expansión del universo.
Críticamente, debido a que la relatividad requiere que la curvatura del espacio sea igual a la curvatura del tiempo, los investigadores podrían calcular si ambos influyeron en la luz en cantidades iguales, como debería ser si la relatividad general es cierta.
"Esta es la primera vez que se realiza esta prueba, por lo que es una prueba de concepto", dijo Mandelbaum. “Hay otros estudios astronómicos planificados para los próximos años. Ahora que sabemos que esta prueba funciona, podremos usarla con mejores datos que estarán disponibles pronto para restringir más estrictamente la teoría de la gravedad ".
Afirmar los poderes predictivos de GR puede ayudar a los científicos a comprender mejor si los modelos actuales del universo tienen sentido, dijeron los científicos.
"Cualquier prueba que podamos hacer para construir nuestra confianza en la aplicación de estas cosas teóricas muy hermosas pero que no han sido probadas en estas escalas es muy importante", dijo Gunn. “Ciertamente ayuda cuando intentas hacer cosas complicadas para comprender los fundamentos. Y esto es algo muy, muy fundamental ”.
"Lo bueno de ir a la escala cosmológica es que podemos probar cualquier teoría de la gravedad alternativa y completa, porque debería predecir las cosas que observamos", dijo el coautor Uros Seljak, profesor de física y astronomía en la Universidad de California en Berkeley. y un científico de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley que actualmente se encuentra de licencia en el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Zurich. "Esas teorías alternativas que no requieren materia oscura fallan en estas pruebas".
Fuentes: "Los científicos de Princeton dicen que la teoría de Einstein se aplica más allá del sistema solar" (Universidad de Princeton), "El estudio valida la relatividad general en la escala cósmica, la existencia de materia oscura" (Universidad de California Berkeley), "La confirmación de la relatividad general en grandes escalas de débil lentes y velocidades de galaxias ”(Nature, preprint arXiv)
