10 de marzo de 2010
Sloan Digital Sky Survey
Un análisis de más de 70.000 galaxias realizado por físicos de la Universidad de California en Berkeley, la Universidad de Zurich, Suiza. y la Universidad Princeton, demuestra que el Universo (al menos hasta una distancia de 3.500 millones de años luz de la Tierra) se desempeña por las reglas establecidas hace 95 años por Albert Einstein en su Teoría General de la Relatividad.
Mediante el cálculo de la agrupación de estas galaxias, que se extienden a casi un tercio del camino hacia el borde del Universo, y el análisis de sus velocidades y la distorsión del material involucrado, los investigadores han demostrado que la teoría de Einstein explica el Universo cercano mejor que las teorías alternativas de la gravedad.
Una consecuencia importante del nuevo estudio es que la existencia de materia oscura es la explicación más probable para la observación que las galaxias y cúmulos de galaxias se mueven como si estuviesen influenciados por alguna masa invisible, además de estarlo por las estrellas que los astrónomos observan.
“Lo bueno de ir a la escala cosmológica es que podemos probar a pleno cualquier teoría alternativa de la gravedad, porque debe prever las cosas que observamos”, dijo el coautor Seljak Uros, profesor de física y astronomía en la Universidad de Berkeley y científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, que está actualmente dejando el Instituto de Física Teórica de la Universidad de Zurich. “Las teorías alternativas que no requieren la materia oscura fallan en estas pruebas”.
En particular, la teoría de la gravedad tensor-vector-escalar TeVeS, que ajusta a la relatividad general para evitar recurrir a la existencia de materia oscura, no pasa la prueba.
El resultado entra en conflicto con un informe del año pasado que afirma que el Universo muy temprano, entre 8 y 11 mil millones de años, se desviaba de la descripción de la gravedad de la relatividad general.
Seljak y sus alumnos y ex alumnos, incluidos los primeros autores Reinabelle Reyes, estudiante graduada de la Universidad de Princeton, y Rachel Mandelbaum, doctorada recientemente en Princeton, informan sus hallazgos en la edición del 11 de marzo de la revista Nature. Otro coautores son Tobias Baldauf, Lucas Lombriser y Robert E. Smith de la Universidad de Zurich, y James E. Gunn, profesor de física en Princeton y padre del estudio digital del cielo Sloan (SDSS).
La teoría general de la relatividad de Einstein sostiene que la gravedad deforma el espacio y el tiempo, lo que significa que la luz se curva al pasar cerca de un objeto masivo, como el núcleo de una galaxia. La teoría ha sido validada en numerosas ocasiones en la escala del Sistema Solar, pero las pruebas en una escala galáctica o cósmica no habían sido concluyentes.
“Hay algunas pruebas crudas e imprecisas de la relatividad general a escala de galaxias, pero no tenemos buenas predicciones para probar las teorías competidoras”, dijo Seljak.
Estas pruebas se han vuelto importantes en las últimas décadas debido a la idea que parte de la masa invisible que impregna el Universo perturba a algunos teóricos y ha estimulado a modificar la relatividad general para deshacerse de la materia oscura. La TeVeS, por ejemplo, dice que la aceleración causada por la fuerza gravitacional de un cuerpo no sólo depende de la masa de dicho cuerpo, sino también del valor de la aceleración causada por la gravedad.
El descubrimiento de la energía oscura, una fuerza enigmática que está causando que la expansión del Universo se acelere, ha dado lugar a otras teorías, tales como una llamada f(R), para explicar la expansión, sin recurrir a la energía oscura.
Las pruebas para distinguir entre teorías rivales no son fáciles, dijo Seljak. Un cosmólogo teórico, señaló que los experimentos cosmológicos, como la detección del fondo cósmico de microondas, suelen incluir mediciones de las fluctuaciones en el espacio, mientras que las teorías de la gravedad predicen las relaciones entre la densidad y la velocidad, o entre la densidad y el potencial gravitacional.
“El problema es que el tamaño de la fluctuación, por sí solo, no nos dice nada sobre teorías cosmológicas subyacentes. Esencialmente, es una molestia, nos gustaría deshacernos de ella”, dijo Seljak. “La novedad de esta técnica es que mira a una combinación particular de observaciones que no depende de la magnitud de las fluctuaciones. La cantidad es una prueba irrefutable de las desviaciones de la relatividad general”.
Hace tres años, un equipo de astrofísicos dirigido por Zhang Pengjie del Observatorio de Shanghai sugirió la utilización de una cantidad denominada EG para comprobar los modelos cosmológicos. La cantidad EG refleja la cantidad de acumulación de galaxias observada y cuánto se distorsionan las galaxias por causa de la deflexión de la luz, a medida que pasa a través de la materia involucrada, proceso conocido como efecto de lente débil. Las lentes débiles pueden hacer que una galaxia redonda luzca como elíptica, por ejemplo.
“Dicho simplemente, EG es proporcional a la densidad media del Universo, e inversamente proporcional a la tasa de crecimiento de la estructura del Universo”, dijo. “Esta combinación particular, se deshace de las fluctuaciones de amplitud y, por lo tanto, se centra directamente en la combinación particular que es sensible a las modificaciones de la relatividad general”.
Utilizando los datos de más de 70.000 brillantes y, por lo tanto, lejanas galaxias rojas del SDSS, Seljak y sus colegas calcularon EG y lo compararon con las predicciones de TeVeS, f (R) y el modelo de la materia oscura fría de la relatividad general mejorada con una constante cosmológica para dar cuenta de la energía oscura.
Las predicciones de TeVeS se encontraban fuera de los límites de error de observación, mientras que la relatividad general encaja muy bien dentro del error experimental. El EG predicho por f (R) fue algo menor que el observado, pero dentro del margen de error.
En un esfuerzo por reducir el error y así probar las teorías que obvian la energía oscura, Seljak espera ampliar su análisis a, tal vez, un millón de galaxias en el relevamiento espectroscópico de oscilación bariónica BOSS del SDSS-III, dirigido por un equipo de LBNL y de la Universidad de Berkeley, cuando se complete, en unos cinco años. Reducir el error aún más, tal vez en tanto como un factor 10, exige un estudio mucho más ambicioso llamado BigBoss, que ha sido propuesto por los físicos del LBNL y de la UC Berkeley, entre otros lugares.
Futuras misiones espaciales, como el conjunto de la NASA Dark Energy Mission (JDEM) y la misión Euclides, de la Agencia Espacial Europea, proveerán también datos para un mejor análisis, aunque tal vez en 10 ó 15 años.
Seljak señala que estas pruebas no le dicen a los astrónomos la identidad real de la materia oscura o la energía oscura. Ellas sólo pueden ser determinadas por otros tipos de observaciones, tales como experimentos de detección directa.
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Etiquetas: Cosmología, Relatividad
