Un nuevo estudio valida por primera vez la teoría de la relatividad general de Einstein en una galaxia distante. Este estudio respalda nuestra comprensión actual de la gravedad y proporciona más evidencia de la existencia de materia oscura y energía oscura, dos conceptos misteriosos que los científicos conocen solo indirectamente al observar sus efectos sobre los objetos cósmicos.

La teoría de la relatividad general de Albert Einstein, publicada en el año 1916, explica cómo la gravedad es el resultado de un concepto conocido como el tejido del espacio-tiempo. En pocas palabras, la teoría predice cuánto mide la masa de un objeto, en este caso, una galaxia, el espacio-tiempo.

Desde que la teoría fue publicada por primera vez, ha sido probada varias veces dentro de nuestro sistema solar. Pero este nuevo estudio, realizado por un equipo internacional de astrónomos dirigido por Thomas Collett del Institute of Cosmology and Gravitation de la University of Portsmouth en el Reino Unido, es la primera prueba precisa de relatividad general en una gran escala astronómica, dijeron los investigadores.

La teoría de la relatividad general de Einstein predice que los objetos masivos deforman el espacio-tiempo que los rodea. Crédito: NASA

Utilizando datos del Telescopio Espacial Hubble de la NASA y del Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral en Chile, el equipo de investigación descubrió que la gravedad se comporta de la misma manera en una galaxia lejana que en nuestro sistema solar, tal como lo predice la teoría de Einstein.

Terry Oswalt, astrónomo y director de ciencias físicas de la Embry-Riddle Aeronautical University en Florida, dijo en un comunicado:

Las mismas leyes de física que vemos trabajando aquí en la Tierra son ciertas en cualquier otro lado. En todas las escalas posibles (especialmente en la escala más grande) es fundamentalmente importante para la física en su conjunto, y para la cosmología en particular”.

La materia oscura parece extenderse a través del cosmos en un patrón similar a una red, con cúmulos de galaxias que se forman en los nodos donde se cruzan las fibras. Al verificar que la gravedad actúa de la misma forma tanto dentro como fuera de nuestro sistema solar, los investigadores proporcionan evidencia adicional de la existencia de materia oscura y energía oscura. Crédito: WGBH

Al validar la relatividad general, los hallazgos también sirven como evidencia adicional de la existencia de materia oscura y energía oscura, dijo Collett a Space.com. La materia oscura y la energía oscura son dos de las «cosas extrañas» que existen en el modelo estándar de la cosmología, dijo Collett.

El modelo estándar es una teoría que describe cómo las fuerzas y partículas fundamentales en el universo trabajan y se comportan juntas, y tiene como objetivo explicar nuestras observaciones y experimentos. Sin embargo, nuestra falta de comprensión y explicación de la materia oscura y la energía oscura, «los dos mayores misterios de la cosmología actual», según Oswalt, llevó a algunos a cuestionar el modelo estándar.

Oswalt agregó:

Dudo que los astrónomos abandonen el modelo estándar de la cosmología pronto. Entonces, en lugar de abandonar el modelo estándar, los investigadores buscan hacer que los modelos expliquen con mayor precisión los datos observados”.

En el modelo estándar, se requiere la materia oscura para explicar qué tan rápido orbitan las estrellas alrededor de las galaxias y se requiere energía oscura para explicar por qué el universo se está expandiendo más rápido, según Collett.

Seis imágenes diferentes del Telescopio Espacial Hubble han sido magnificadas por un efecto cósmico llamado lente gravitacional. Las imágenes fueron tomadas en luz infrarroja por la cámara de campo amplio 3. El color se ha agregado para resaltar detalles en las galaxias. Crédito: NASA/ESA/J. Lowenthal (Smith College)

Algunos científicos han sugerido que las «teorías alternativas de la gravedad», como describió Collett, podrían eliminar la necesidad de materia oscura y energía oscura en el modelo estándar. Sin embargo, debido a que este equipo ha descubierto que la gravedad funciona fuera de nuestro sistema solar como lo hace dentro de nuestro sistema solar, por ahora parece que nuestra comprensión de la gravedad es correcta y la materia y energía oscura todavía se ajusta al modelo estándar.

Collett notó que este estudio no es una «prueba» concreta de materia oscura y energía oscura, pero sirve como evidencia adicional de que existen.

Para validar la relatividad general fuera de nuestro sistema solar por primera vez, el equipo de investigación usó lentes gravitacionales fuertes, una técnica en la que un objeto masivo -en este caso, una galaxia- actúa como un lente enorme al doblar tanto la luz que la imagen de un objeto de fondo, también una galaxia, está distorsionado. Este equipo de astrónomos usó la galaxia ESO 325-G004 porque es una de las lentes más cercanas a la Tierra, a solo 500 millones de años luz de distancia.

Una imagen de la galaxia cercana ESO 325-G004, creada utilizando los datos recopilados por el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA y el instrumento de MUSE. Crédito: ESO, ESA/Hubble, NASA

Si los dos objetos están bien alineados, este efecto crea un anillo de imágenes, conocido como un «anillo de Einstein», de la galaxia de fondo.

Coller agregó:

El radio de este anillo es proporcional a la desviación de la luz, por lo que si mides el radio del anillo, puedes medir la curvatura del espacio-tiempo”.

Además de medir la curva espacio-tiempo, los investigadores tuvieron que determinar la masa de la galaxia, porque la relatividad general predice cuánta curvatura crea una masa. Calcularon esta masa midiendo la velocidad con que viajan las estrellas de la galaxia. Luego, al comparar esta masa medida con la curvatura medida del espacio-tiempo, el equipo encontró lo que la relatividad general predice para esta masa, o galaxia.

Entonces, hasta donde sabemos, incluso fuera de nuestro sistema solar, la relatividad general es la teoría correcta de la gravedad, dijo Collett. Este equipo de astrónomos espera estudiar galaxias y lentes aún más lejanas, verificando además que la gravedad funciona de la misma manera en todo el cosmos.

Bob Nichol, director del Institute of Cosmology and Gravitation y miembro del equipo, dijo en un comunicado:

Es tan satisfactorio usar los mejores telescopios del mundo para desafiar a Einstein, solo para descubrir cuán correcto era”.

El estudio científico ha sido publicado en la revista Science.

Fuente: space.com