107 años después, todavía estamos probando la teoría de la gravedad de Einstein: los resultados se vuelven extraños

todo dentro El universo tiene gravedad, y él también la siente. Sin embargo, también es esta fuerza fundamental más común la que presenta los mayores desafíos para los físicos. La teoría general de la relatividad de Albert Einstein Tuvo un éxito notable en la descripción de la atracción gravitatoria de las estrellas y los planetas, pero no parece ser del todo aplicable en todas las escalas.

relatividad general Pasó muchos años de pruebas de observación, que Medida de Eddington Desde la desviación de la luz de las estrellas del Sol en 1919 hasta La última detección de ondas gravitacionales. Sin embargo, empiezan a aparecer lagunas en nuestra comprensión cuando tratamos de aplicarla en distancias muy pequeñas, y donde Las leyes de la mecánica cuántica funcionano cuando estamos tratando de describir el universo entero.

Nuestro nuevo estudio, Publicado en astronomía naturalahora ha sido probado Einstein teoría a la mayor escala. Creemos que nuestro enfoque algún día puede ayudar a resolver algunos de los mayores misterios de la cosmología, y los resultados sugieren que la relatividad general puede necesitar un ajuste en esta escala.

problema cuántico

La teoría cuántica predice que el espacio, el vacío, está lleno de energía. Ni siquiera nos damos cuenta de que está ahí porque nuestros dispositivos solo pueden medir cambios en la energía en lugar de su cantidad total.

Sin embargo, según Einstein, la energía del vacío tiene una atracción repulsiva: aleja el espacio vacío entre sí. Curiosamente, en 1998 se descubrió que la expansión del universo se está acelerando (descubrimiento que fue obtenido por Premio Nobel de Física 2011). Sin embargo, la cantidad de energía del vacío, o energía oscura como se la ha llamado, que es necesaria para explicar la aceleración es mucho menor de lo que predice la teoría cuántica.

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Por lo tanto, la gran pregunta, que se ha denominado el «viejo problema de la constante cosmológica», es si la energía del vacío atrae y hace que la gravedad fuerce y cambie la expansión del universo.

En caso afirmativo, ¿por qué su gravedad es mucho más débil de lo esperado? Si el vacío no atrae en absoluto, ¿qué está causando la aceleración cósmica?

No sabemos qué es la energía oscura, pero debemos suponer que existe para explicar la expansión del universo. Del mismo modo, también necesitamos postular algún tipo de presencia de materia invisible, denominada materia oscura, para explicar cómo evolucionaron las galaxias y los cúmulos para ser como los observamos hoy.

Fondo cósmico de microondas.NASA

Estas suposiciones están integradas en la teoría cosmológica estándar de los científicos, llamada modelo lambda de materia oscura fría (LCDM): se refiere al 70 % de la energía oscura, el 25 % de la materia oscura y el 5 % de la materia ordinaria del universo. . Este modelo ha tenido un éxito notable al ajustarse a todos los datos que los cosmólogos han recopilado durante los últimos 20 años.

Pero el hecho de que la mayor parte del universo esté compuesto por fuerzas oscuras y materia, que adquiere valores extraños y sin sentido, ha llevado a muchos físicos a preguntarse si la teoría de la gravedad de Einstein necesita una modificación para describir todo el universo.

Un nuevo desarrollo surgió hace unos años cuando quedó claro que los diferentes métodos para medir la tasa de expansión cósmica, llamados la constante de Hubble, daban diferentes respuestas, un problema conocido como Tensión del Hubble.

Desacuerdo o tensión entre dos valores de la constante de Hubble. El primero es el número predicho por el modelo cosmológico LCDM, que ha sido desarrollado para coincidir La luz que sobró del Big Bang (radiación de fondo cósmico de microondas). El otro es la tasa de expansión, que se mide observando estrellas en explosión conocidas como supernovas en galaxias distantes.

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Se han propuesto varias ideas teóricas para la modulación LCDM para explicar la tensión de Hubble. Entre ellas se encuentran las teorías alternativas de la gravedad.

Encontrar respuestas

La teoría general de la relatividad de Einstein continúa fascinando a los físicos.Gado/Archivo de fotos/Getty Images

Podemos diseñar pruebas para verificar si el universo obedece las reglas de la teoría de Einstein. La relatividad general describe la gravedad como la curvatura o deformación del espacio y el tiempo, doblando los caminos a lo largo de los cuales viajan la luz y la materia. Lo que es más importante, predice que las trayectorias de los rayos de luz y la materia deberían doblarse por la gravedad de la misma manera.

En colaboración con un equipo de cosmólogos, hemos probado las leyes básicas de la relatividad general. También exploramos si modificar la teoría de Einstein podría ayudar a resolver algunos problemas abiertos en cosmología, como la tensión de Hubble.

Para determinar si la relatividad general es válida a gran escala, nos propusimos, por primera vez, investigar tres aspectos de ella simultáneamente. Estos fueron la expansión del universo, los efectos gravitacionales sobre la luz y los efectos gravitatorios sobre la materia.

Usando un método estadístico conocido como inferencia bayesiana, reconstruimos la gravedad del universo a través de la historia cósmica en un modelo de computadora basado en estos tres parámetros. Podemos estimar los parámetros usando datos de fondo cósmico de microondas del satélite Planck, catálogos de supernovas y observaciones de las formas y distribución de galaxias distantes por SDSS Y el DES telescopios Luego comparamos nuestra reconstrucción con la predicción del modelo LCDM (esencialmente el modelo de Einstein).

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Encontramos pistas interesantes sobre un posible desajuste con las predicciones de Einstein, aunque con una significancia estadística bastante baja. Esto significa que todavía existe la posibilidad de que la gravedad funcione de manera diferente a gran escala, y que la teoría de la relatividad general deba modificarse.

Nuestro estudio también encontró muy difícil resolver el problema de la tensión de Hubble simplemente cambiando la teoría de la gravedad. Quizás una solución completa requeriría un nuevo componente en el modelo cosmológico, que existiera antes del momento en que los protones y los electrones se combinaron por primera vez para formar hidrógeno justo después del Big Bang, como una forma especial de materia oscura, un tipo primitivo de energía oscura o campos magnéticos primordiales. O tal vez hay un error sistemático desconocido en los datos.

Nuestro estudio demuestra que es posible probar la validez de la relatividad general a distancias cósmicas utilizando datos de observación. Si bien no hemos resuelto el problema del Hubble, tendremos más datos de las nuevas sondas en unos años.

Esto significa que podremos utilizar estos métodos estadísticos para modificar aún más la relatividad general y explorar los límites de las modificaciones, para allanar el camino para resolver algunos de los desafíos abiertos en cosmología.

Este artículo fue publicado originalmente Conversación por Kazuya Koyama y Levon Pogosian en la Universidad de Portsmouth y la Universidad Simon Fraser. Leer el El artículo original está aquí.

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