Comprender la gravedad ha sido un desafío para los físicos durante siglos. Los primeros pasos para comprender esta interacción fundamental los dio Isaac Newton y los desarrolló Albert Einstein siglos después. La relatividad general de Albert Einstein es la teoría que subyace a la mejor explicación de la naturaleza de la gravedad. Einstein describió la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo provocada por la presencia de masa y energía.
A pesar del éxito de la relatividad general para escalas pequeñas, todavía surge la pregunta de si esta teoría puede describir escalas cosmológicas. Estos incluyen principalmente los conceptos de energía oscura y materia oscura, que juntos constituyen el 95% del Universo. La naturaleza de estos dos elementos aún se desconoce y algunos astrofísicos se preguntan si el problema no reside en los modelos actuales que describen el Universo, incluida la relatividad general.
Una de las principales preguntas es si la relatividad general funciona a escala cosmológica y varios proyectos pretenden responder a esta pregunta. Recientemente, se publicaron nuevos resultados del Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI). Destacan dos resultados importantes, uno de los cuales es la confirmación de las predicciones de la relatividad general a gran escala 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, es decir, se encarga de atraer objetos de masa entre sí. Es la interacción más dominante a escala galáctica y es lo que nos mantiene unidos a la superficie de la Tierra. El sistema solar también está dominado por la gravedad y los planetas orbitan alrededor del Sol gracias a esta interacción.
Isaac Newton describió la gravedad en su ley de gravitación universal, que establece que la fuerza entre dos cuerpos es proporcional a su masa e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos.
Hoy en día, la descripción más general de la gravedad es la teoría de la relatividad general, propuesta por Albert Einstein. Según Einstein, la gravedad es de naturaleza geométrica y los cuerpos masivos distorsionan el espacio-tiempo. Sin embargo, la gravedad sigue siendo una cuestión abierta, particularmente en lo que respecta a su 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 es una continuación de su trabajo de 1908, durante el cual presentó la relatividad especial. Mientras que la relatividad especial se refería al espacio-tiempo plano, la relatividad general se extendía a situaciones en las que el espacio-tiempo era 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, estamos pegados a la superficie terrestre porque la masa terrestre distorsiona el espacio-tiempo. La teoría de Einstein fue confirmada cuatro años después por la observación de un eclipse. Además, la relatividad general ha permitido el descubrimiento de objetos como los agujeros negros, así como una descripción cosmológica de la estructura del Universo.
Los misterios del Universo
La materia oscura y la energía oscura se consideran uno de los mayores misterios del universo. A pesar de sus nombres similares, son conceptos diferentes con comportamientos completamente diferentes. La materia oscura es una forma desconocida de materia que no interactúa de ninguna manera excepto a través de la gravitación. La energía oscura, por su parte, es la causante de la expansión acelerada del universo, actuando en sentido contrario a 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 gravedad modificada, intentan explicar la materia y la energía oscuras. Sin embargo, hasta la fecha ningún modelo ha logrado establecerse, pero la relatividad general ha ganado recientemente un nuevo paso en la explicación del Universo a gran escala.
DESI
DESI (Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura) es un proyecto diseñado 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 en Estados Unidos. DESI cuenta con 5.000 fibras ópticas que permiten observar simultáneamente 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 de objetos distantes indica su velocidad y distancia de la Tierra. Al medir el corrimiento al rojo de millones de galaxias, DESI puede mapear la distribución tridimensional del universo e identificar ciertos cúmulos. Al estudiar estas observaciones, es posible comprender cómo actúa la materia oscura sobre los cúmulos y cómo actúa la energía oscura sobre la expansión del Universo.
Resultados del estudio 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 están de acuerdo con las predicciones de la relatividad general, incluso a escala cosmológica. La tasa de formación y distribución de galaxias son consistentes con las predicciones de 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 mucho tiempo se pensó que no tenían masa. Sin embargo, los experimentos permitieron determinar la masa de los neutrinos y establecer un límite inferior. DESI ha encontrado una estimación del límite superior de masa de neutrinos.
Referencia del artículo:
Colaboración DESI et al. DESI 2024 V: Agrupación de galaxias en forma completa a partir de galaxias y cuásares arXiv
