Un equipo de la Universidad de Ginebra ha desarrollado el primer método capaz de probar las teorías de Einstein y Euler sobre la expansión acelerada del Universo y sobre la materia oscura. Este método abre una nueva ventana para probar las leyes de la física.
Un equipo de la Universidad de Ginebra (UNIGE) ha desarrollado el primer método capaz de contrastar conjuntamente las teorías de Einstein y Euler sobre la aceleración de la expansión del Universo y la materia oscura. El método se basa en una medida nunca antes utilizada: la distorsión del tiempo. Los resultados se publican en Nature Astronomy.
¿Cuáles son las teorías de Einstein y Euler?
Las teorías de Leonhard Euler (1707-1783) y Albert Einstein (1879-1955) revolucionaron nuestra comprensión del Universo. Con la famosa ecuación que lleva su nombre, Euler entregó a los científicos una poderosa herramienta para calcular los movimientos de las galaxias en el Universo. Con su teoría de la relatividad general, Einstein demostró que el Universo no es un marco estático y que puede ser distorsionado por cúmulos de estrellas y galaxias.
Los físicos han probado estas ecuaciones de todas las formas posibles, y hasta ahora han tenido éxito. Sin embargo, dos descubrimientos siguen poniendo a prueba estos modelos: la aceleración de la expansión del Universo y la existencia de una materia oscura invisible, que representaría el 85% de toda la materia presente en el cosmos.
¿Siguen obedeciendo estos misteriosos fenómenos las ecuaciones de Einstein y Euler? Los investigadores no pueden responder a esta pregunta sin ambigüedades.
¿Qué es la distorsión del tiempo?
La distorsión del tiempo es un efecto predicho por la teoría de la relatividad general de Einstein. De acuerdo con esta teoría, el espacio y el tiempo no son entidades separadas, sino que forman una sola entidad llamada espacio-tiempo. El espacio-tiempo puede distorsionarse por la presencia de masa o energía, lo que afecta la forma en que se mueven los objetos y cómo medimos el tiempo.
La distorsión del tiempo significa que el tiempo pasa más lentamente cerca de un objeto masivo que lejos de él. Por ejemplo, el tiempo pasa más lentamente en la superficie de la Tierra que en un satélite en órbita. Este efecto es muy pequeño, pero se puede medir con relojes muy precisos.
La distorsión del tiempo también ocurre cuando un objeto se acerca a la velocidad de la luz. En este caso, el tiempo pasa más lentamente para el objeto en movimiento que para un observador en reposo. Este efecto se llama dilatación del tiempo.
¿Cómo medimos la distorsión del tiempo en el Universo?
Hasta ahora, los astrónomos solo podían medir dos cosas sobre los objetos celestes: su velocidad y la suma de la distorsión espacial y temporal. Estas medidas no son suficientes para diferenciar entre una teoría que viola las ecuaciones de Einstein y una que viola las ecuaciones de Euler.
El equipo de UNIGE ha desarrollado el primer método para acceder a una medida adicional: la distorsión temporal separada. El método se basa en la observación de la evolución de la luminosidad de las galaxias más distantes debido al efecto gravitatorio de los cúmulos de galaxias más cercanos, explican los investigadores en una nota de prensa.
Los cúmulos de galaxias actúan como lentes gravitacionales que desvían la luz de las galaxias más distantes. Esto hace que las galaxias más lejanas sean más brillantes y más grandes. Pero también hace que su brillo varíe con el tiempo, ya que los cúmulos de galaxias se mueven y cambian su efecto de lente.
La luminosidad de las galaxias más lejanas depende tanto de su distancia como del tiempo que tarda su luz en llegar hasta nosotros. Si conocemos su distancia, podemos deducir el tiempo que tarda en viajar su luz. Y si medimos cómo cambia su brillo con el tiempo, podemos inferir cómo la lente de los cúmulos de galaxias distorsiona el tiempo.
¿Qué implicaciones tiene este método?
Este método permite contrastar conjuntamente las teorías de Einstein y Euler sobre la aceleración de la expansión del Universo y la materia oscura. Si la distorsión del tiempo no es igual a la suma del espacio y el tiempo, es decir, el resultado que arroja la teoría de la relatividad general, significa que el modelo de Einstein no funciona. Si la distorsión del tiempo es igual a la suma del espacio y el tiempo, pero no coincide con las predicciones de las ecuaciones de Euler, entonces el modelo de Euler no funciona.
Este método también descubrirá si hay nuevas fuerzas o materia en el Universo que violen ambas teorías, dice Levon Pogosian, profesor del Departamento de Física de la Universidad Simon Fraser en Canadá y coautor del estudio. Añade que abre una nueva ventana para explorar los misterios del Universo y poner a prueba las leyes de la física. También representa una contribución crucial a varias misiones cuyo objetivo es determinar el origen de la expansión acelerada del Universo y la naturaleza de la materia oscura.
Para probar este método, los investigadores deben observar las galaxias más distantes con un telescopio muy potente, capaz de detectar los objetos más débiles jamás observados en el infrarrojo. Estos incluyen el telescopio espacial EUCLID, que será lanzado en julio de 2023 por la Agencia Espacial Europea (ESA), y el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (DESI), que comenzó su misión de 5 años en 2021 en Arizona. También está el proyecto de radiotelescopio gigante internacional SKA (Square Kilometer Array) en Sudáfrica y Australia, que comenzará las observaciones en 2028/29.
Referencia
Einstein modificado versus Euler modificado para la materia oscura. Camille Bonvin y Lévon Pogosian. Astronomía Natural (2023). DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-023-02003-y
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