La teoría general de la relatividad en entredicho
Durante mucho tiempo, la teoría general de la relatividad (TGR) de Einstein ha constituido la norma para describir la gravitación en nuestro Sistema Solar. Pero ¿qué sucede con el Universo en su totalidad? «En 1998, unos astrónomos descubrieron algo sorprendente: la expansión del Universo está en aceleración, y no en desaceleración», explica Kazuya Koyama, catedrático de Cosmología en la Universidad de Portsmouth. Según Koyama, esta aceleración tardía del Universo es el problema más complejo de la física teórica que, además, pone el modelo de la TGR en entredicho. «El modelo estándar de la cosmología se basa en una gran extrapolación de nuestros conocimientos limitados sobre la gravedad», explica el catedrático. «A raíz de este descubrimiento, podría ser necesario revisar la teoría de la gravedad y el modelo estándar de la cosmología basado en la TGR». Koyama trabaja para colmar esta brecha del conocimiento con el respaldo del proyecto CosTesGrav, financiado con fondos europeos. «El objetivo de este proyecto es desarrollar pruebas cosmológicas de la gravedad y buscar soluciones para explicar el origen de esta expansión acelerada del Universo al cuestionar la TGR tradicional», añade Koyama.
De una escala pequeña a una escala cosmológica
El objetivo principal del proyecto CosTesGrav fue desarrollar herramientas y marcos teóricos para estudiar la física gravitacional a escalas cosmológicas. Para ello, los investigadores empezaron por una escala pequeña. «Desarrollamos diversas herramientas teóricas a fin de aportar previsiones para observaciones cosmológicas a pequeña escala en modelos de gravedad modificada», apunta Koyama. «Se puede obtener mucha información a escalas pequeñas, y resulta fundamental ofrecer previsiones teóricas a estas escalas a fin de maximizar el rendimiento de las futuras exploraciones cosmológicas». Para ilustrar la gran repercusión de este método a pequeña escala debemos tener en cuenta la labor del proyecto sobre la teoría general escalar-tensorial, una extensión de la TGR que incluye un campo escalar. «Hemos contribuido de forma importante al desarrollo de teorías escalares y tensoriales más generales, más allá de la teoría original publicada en los años setenta del siglo pasado», destaca Koyama. Tal y como Koyama explica, este tipo de desarrollos no solo afectan al estudio de las teorías gravitacionales, también aportan una base para probar la gravedad a escalas cosmológicas dentro de un marco general. «Hemos elaborado teorías de la gravedad modificada como alternativa a las teorías tradicionales sobre la energía oscura y, además, hemos analizado mecanismos de selección para restaurar la TGR a escalas en que sea correctamente probada», añade Koyama. «Posteriormente, desarrollamos mejores marcos teóricos para llevar a cabo pruebas cosmológicas de la gravedad, incluidas a escalas no lineares, al aprovechar nuestro conocimiento teórico de los modelos y nuestras simulaciones de última generación».
Nos esperan cosas importantes
A pesar de estos esfuerzos considerables, el equipo del proyecto todavía debe encontrar una alternativa válida a la TGR capaz de explicar la aceleración tardía del Universo. «El límite de la velocidad de propagación de las ondas gravitatorias observado en una fusión de estrellas de neutrones en 2018 cambió considerablemente el panorama de las teorías más allá de la TGR», apunta Koyama. «Esto nos enseñó que, a veces, las observaciones conducen a regiones inexploradas del espacio teórico, y que es importante tener la mente abierta al elaborar modelos teóricos». Dicho esto, las herramientas desarrolladas en el marco de este proyecto respaldado por el Consejo Europeo de Investigación desempeñarán papeles fundamentales en la prueba de modelos cosmológicos no estándar mediante futuras observaciones astronómicas, como los que se llevaron a cabo en la misión Euclides de la Agencia Espacial Europea. «Pronto comenzarán nuevos experimentos cosmológicos muy interesantes. Además, tengo muchas ganas de aplicar las técnicas desarrolladas en este proyecto a los datos actuales y realizar pruebas sobre la TGR a escalas cosmológicas», concluye Koyama.
Palabras clave
CosTesGrav, teoría general de la relatividad, Universo, gravitación, cosmología, física teórica, gravedad, misión Euclides