Dilatar el tiempo, nuevo método para explorar la expansión del Universo y la materia oscura

Un equipo de la Universidad de Ginebra ha desarrollado el primer método capaz de probar a la vez las teorías de Einstein y Euler para la expansión acelerada del Universo y para la materia oscura. Este método abre una nueva ventana para poner a prueba las leyes de la física.

Un equipo de la Universidad de Ginebra (UNIGE) ha desarrollado el primer método capaz de probar juntas las teorías de Einstein y Euler para la aceleración de la expansión del Universo y la materia oscura. El método se basa en una medida nunca utilizada antes: la distorsión del tiempo. Los resultados se publican en Nature Astronomy.

La expansión del Universo podría ser una ilusión

¿Qué 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 dio a los científicos una herramienta poderosa 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 deformado por los cúmulos de estrellas y las 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.

¿Estos misteriosos fenómenos obedecen aún a 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. Según esta teoría, el espacio y el tiempo no son entidades separadas, sino que forman una sola entidad llamada espacio-tiempo. El espacio-tiempo puede ser curvado por la presencia de masa o energía, lo que afecta a la forma en que se mueven los objetos y a cómo medimos el tiempo.

La distorsión del tiempo significa que el tiempo transcurre más despacio cerca de un objeto masivo que lejos de él. Por ejemplo, el tiempo transcurre más despacio 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 mueve a una velocidad cercana a la de la luz. En este caso, el tiempo transcurre más despacio para el objeto en movimiento que para un observador en reposo. Este efecto se llama dilatación temporal.

¿Cómo se mide 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 del espacio y del tiempo. Estas medidas no son suficientes para diferenciar entre una teoría que viola las ecuaciones de Einstein y otra que viola las ecuaciones de Euler.

El equipo de la UNIGE ha desarrollado el primer método para acceder a una medida adicional: la distorsión del tiempo por separado. El método se basa en observar cómo cambia el brillo de las galaxias más lejanas debido al efecto gravitatorio de los cúmulos de galaxias más cercanosl, explican los investigadores en un comunicado.

Los cúmulos de galaxias actúan como lentes gravitacionales que curvan la luz que llega desde las galaxias más lejanas. Esto hace que las galaxias más lejanas parezcan más brillantes y grandes. Pero también hace que su brillo varíe con el tiempo, debido a que los cúmulos de galaxias se mueven y cambian su efecto lente.

El brillo 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 su luz en viajar. Y si medimos cómo cambia su brillo con el tiempo, podemos deducir cómo se distorsiona el tiempo por el efecto lente de los cúmulos de galaxias.

¿Qué implicaciones tiene este método?

Este método permite probar juntas las teorías de Einstein y Euler para 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, al resultado que produce la teoría de la relatividad general, esto 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, esto significa que el modelo de Euler no funciona.

Este método permitirá asimismo descubrir si en el Universo existen nuevas fuerzas o materia, que violan estas dos teorías, explica 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 para varias misiones cuyo objetivo es determinar el origen de la expansión acelerada del Universo y la naturaleza de la materia oscura.

Para comprobar este método, los investigadores necesitan observar las galaxias más lejanas 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 internacional de radiotelescopio gigante SKA (Square Kilometer Array) en Sudáfrica y Australia, que comenzará las observaciones en 2028/29.

Referencia

Modified Einstein versus modified Euler for dark matter. Camille Bonvin & Levon Pogosian. Nature Astronomy (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41550-023-02003-y