Simulan la expansión del universo con un nivel de detalle sin precedente

Por primera vez, dos equipos han usado toda la potencia de la relatividad general de Einstein para estudiar en detalle la evolución del universo. Las técnicas empleadas por ambos grupos —las cuales ponen fin a casi un siglo de tradición— podrían zanjar cierta polémica sobre la validez de las simulaciones realizadas hasta ahora y, al mismo tiempo, ayudar a interpretar mejor las observaciones cosmológicas, cada vez más precisas.

La relatividad general interpreta la gravedad como un efecto de la curvatura del espacio tiempo. Poco después de que Einstein propusiese su teoría, en 1915, otros investigadores ya se percataron de sus tremendas implicaciones a escala cósmica. En los años veinte del siglo pasado, el cosmólogo belga Georges Lemaître señaló que un universo que se ajustase a la teoría de Einstein debería expandirse o contraerse. Y, hacia la misma época, el astrónomo Edwin Hubble y otros expertos mostraron que, de hecho, el universo se hallaba en expansión.

Sin embargo, resolver las ecuaciones de Einstein resultaba imposible si no se daban por buenas algunas simplificaciones en los cálculos. En particular, Lemaître y otros relativistas describieron la materia presente en el universo como si se tratase de una cantidad continua y repartida de manera uniforme por todo el espacio, en lugar de hallarse concentrada en estrellas y galaxias.

¿Hipótesis razonable o simple necesidad?

La situación no cambió gran cosa con la llegada de los ordenadores, ya que ejecutar los cálculos relativistas en toda su plenitud resultaba demasiado complejo incluso para las mejores supercomputadoras. Hasta ahora, los cosmólogos habían seguido modelizando del mismo modo las distintas épocas del universo, incluidas aquellas más próximas a la gran explosión. Para explicar la formación de galaxias y cúmulos de galaxias a partir de una distribución difusa de gas primordial, los expertos consideraban regiones ligeramente más densas que el resto y calculaban cómo se aglomeraría la materia por efecto de la gravedad. Sin embargo, tales modelos solo consideraban una distribución irregular en las escalas, relativamente pequeñas, objeto de estudio, pero seguían suponiendo un reparto uniforme de materia a distancias cósmicas. (Además, tales cálculos se llevaban a cabo con la teoría de Newton, no con la de Einstein.)

Algunos cosmólogos han argumentado que esa manera de trabajar es más un fruto de la necesidad que una hipótesis justificada. “La homogeneidad del universo es un invento filosófico”, asegura Sabino Matarrese, relativista de la Universidad de Padua. Desde hace unos diez años, Matarrese y otros expertos vienen argumentando que dicha hipótesis podría haber llevado a malinterpretar los datos que han conducido a los cosmólogos a concluir que la expansión del universo se está acelerando, un fenómeno que suele atribuirse a un misterioso agente denominado «energía oscura”.

Matarrese recuerda que este punto ha sido objeto de acalorados debates. Pero, añade, el supuesto de la homogeneidad del cosmos es “en parte, un razonamiento circular que cabe cuestionar sin dramatizar en exceso”. Eloisa Bentivegna, especialista en relatividad numérica de la Universidad de Catania, señala que «en principio, en un universo inhomogéneo, las galaxias distantes parecerían comportarse como si estuviesen alejándose a una velocidad cada vez mayor», lo que imitaría el efecto de la energía oscura.

Un cosmos rugoso

Ahora, Bentivegna y Marco Bruni, de la Universidad de Portsmouth, y, de manera independiente, Glenn Starkman, de la Universidad Case Western Reserve, y otros colaboradores han llevado a cabo las primeras simulaciones completas de un universo que obedece sin restricciones las leyes relativistas. Ambos grupos han empleado superordenadores para modelizar la expansión del universo temprano y el modo en que la curvatura del espacio cambia a medida que la materia se aglomera bajo la fuerza de la gravedad. Los trabajos, que fueron publicados el pasado 24 de junio en Physical Review Letters y Physical Review D, aún no reproducen con todo detalle la complejidad del universo real, poro Matarrese considera que su tratamiento, cien por cien relativista, es “revolucionario”.

Cada grupo ha empleado técnicas ligeramente distintas y ha puesto el foco en aspectos diferentes. Mientras que el equipo europeo se ha centrado en el proceso de formación de estructuras más densas que el resto, el estadounidense ha analizado la expansión del universo y la manera en que su curvatura afecta a la propagación de la luz. De cara al futuro, ambos grupos tienen previsto mejorar sus modelos con el objetivo de hacer contacto con aquellas cantidades que los astrónomos pueden medir.

En uno y otro caso, los investigadores se han basado en técnicas de cálculo numérico desarrolladas para estudiar la curvatura del espaciotiempo causada por dos agujeros negros en órbita mutua y la consecuente emisión de ondas gravitacionales, el mismo fenómeno que a principios de este año confirmó el experimento estadounidense LIGO. «Se trata de un maridaje entre cosmología y relatividad numérica que no había tenido lugar hasta ahora», puntualiza Starkman. Matarrese indica que tal vez se necesiten dos décadas para aprovechar todo el potencial de las nuevas técnicas. Al igual que otros investigadores, piensa que la energía oscura probablemente haya venido para quedarse, pero cree que los cosmólogos necesitarán predicciones cada vez más detalladas para interpretar con tino los datos de los descomunales observatorios futuros.

La gran pregunta es si el agrupamiento de la materia en regiones más densas y la consecuente formación de galaxias afecta o no a la expansión global del universo. Este posible efecto de «retroacción» (backreaction) podría ponerse a prueba con la siguiente generación de experimentos, lo que, en palabras de Scott Dodelson, cosmólogo del laboratorio Fermilab, cerca de Chicago, constituiría un «gran triunfo». Con todo, el investigador añade que, por el momento, no está claro si para estudiar tales efectos serán necesarias las nuevas técnicas o si, por el contrario, bastará con métodos más tradicionales.

En este sentido, los cálculos realizados hace un par de años por Robert Wald, reputado relativista de la Universidad de Chicago, y Stephen Green, de la de Guelph, indican que, en la práctica, tales efectos serían insignificantes: «Estoy seguro de que el hecho de que la materia se concentre en pequeñas aglomeraciones no afecta a la tasa de expansión del universo», sentencia Wald. No obstante, este tipo de cálculos, cien por cien relativistas, sí serán importantes para tratar fenómenos cósmicos en los que intervienen procesos de altas energías, como los ocurridos poco después de la gran explosión o los relacionados con la propagación de los neutrinos.

Starkman cree que, en lo que atañe a sus rasgos principales, el modelo cosmológico estándar seguirá siendo válido, incluida la energía oscura. «Pero igualmente tenemos que comprobarlo», concluye.

Más información en Physical Review Letters (Starkman et al.; Bentivegna y Bruni), Physical Review D (Starkman et al.), Physics y Physics World. Una versión de los correspondientes artículos técnicos puede encontrarse en el repositorio arXiv (Starkman et al. 1; Starkman et al. 2; Bentivegna y Bruni).

Fuente: investigacionyciencia.es / Davide Castelvecchi / Nature News

Etiquetas: universo, expansión, relatividad, gravedad

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