Tiempos problemáticos para las alternativas a la teoría de la gravedad de Einstein
Wired
Dos enanas blancas y un púlsar orbitan entre sí en un sistema que revela cómo se comporta la gravedad en ambientes extremos. Crédito de la imagen: ERIC NYQUIST / QUANTA MAGAZINE
Por Katia Moskvitch, para Wired Mayo 6 de 2018
Zumalacárregui, un físico teórico del Centro de Física Cosmológica de Berkeley, había estado estudiando cómo el descubrimiento de una colisión de estrella de neutrones afectaría las llamadas teorías "alternativas" de la gravedad. Estas teorías intentan superar lo que muchos investigadores consideran dos enormes problemas con nuestra comprensión del universo. Las observaciones que se remontan a décadas han demostrado que el universo parece estar lleno de partículas invisibles (materia oscura) y una fuerza antigravitacional llamada energía oscura. Las teorías alternativas de la gravedad intentan eliminar la necesidad de estos fantasmas modificando la fuerza de la gravedad de manera que describa adecuadamente todas las observaciones conocidas, sin necesidad de material oscuro.
En la reunión, Zumalacárregui bromeó con su público sobre los peligros de combinar ciencia y Twitter, y luego explicó cuáles serían las consecuencias si los rumores fueran ciertos. Muchos investigadores sabían que la fusión sería un gran problema, pero muchos de ellos simplemente "no habían entendido que sus teorías estaban al borde de la desaparición", escribió más tarde en un correo electrónico. En Saclay, les leyó los últimos ritos. "Esa conferencia fue como un funeral en el que estábamos dando la noticia a algunos asistentes".
La colisión de la estrella de neutrones fue solo el comienzo. Los nuevos datos en los meses posteriores a ese descubrimiento han hecho la vida cada vez más difícil para los defensores de muchas de las teorías de la gravedad modificada que permanecen. Los astrónomos han analizado sistemas astronómicos extremos que contienen estrellas de neutrones giratorias, o púlsares, para buscar discrepancias entre su movimiento y las predicciones de la relatividad general, discrepancias que anticipan algunas teorías de la gravedad alternativa. Estos sistemas pulsar permiten a los astrónomos probar la gravedad en una nueva escala y con nueva precisión. Y con cada nueva observación, estas teorías alternativas de la gravedad tienen cada vez más dificultades para resolver los problemas para los que fueron inventadas. Los investigadores "tienen que sudar un poco más tratando de obtener nueva física", dijo Anne Archibald, astrofísica de la Universidad de Ámsterdam.
Buscando a Vulcano
Las observaciones confusas tienen una manera de llevar a los astrónomos a explicaciones desesperadas. En la tarde del 26 de marzo de 1859, Edmond Lescarbault, un joven médico y astrónomo aficionado en Orgères-en-Beauce, un pequeño pueblo al sur de París, tuvo un descanso entre los pacientes. Corrió a un pequeño observatorio casero en el techo de su granero de piedra. Con la ayuda de su telescopio, vio un objeto redondo desconocido que se movía por la cara del sol.
Rápidamente envió noticias de este descubrimiento a Urbain Le Verrier, el astrónomo líder mundial en ese momento. Le Verrier había estado tratando de dar cuenta de una rareza en el movimiento del planeta Mercurio. Todos los demás planetas orbitan alrededor del Sol en perfecto acuerdo con las leyes de movimiento y gravitación de Isaac Newton, pero Mercurio parecía avanzar una pequeña cantidad con cada órbita, un fenómeno conocido como precesión del perihelio. Le Verrier estaba seguro de que tenía que haber un planeta invisible "oscuro" tirando de Mercurio. La observación de Lescarbault de una mancha oscura que transitaba el sol parecía mostrar que el planeta, que Le Verrier llamaba Vulcano, era real.
No era. Los avistamientos de Lescarbault nunca se confirmaron, y la precesión del perihelio de Mercurio siguió siendo un enigma durante casi seis décadas más. Luego Einstein desarrolló su teoría de la relatividad general, que pronosticó directamente que Mercurio debería comportarse de la manera en que lo hace.
A map of the solar system from 1846 shows the presumed orbit of Vulcan, a hypothetical planet that was invoked to explain a puzzling feature of Mercury’s orbit. Image credit: E. JONES & G.W. NEWMAN
En el impulso de Le Verrier para explicar las observaciones desconcertantes mediante la introducción de un objeto hasta ahora oculto, algunos investigadores modernos ven paralelismos con la historia de la materia oscura y la energía oscura. Durante décadas, los astrónomos han notado que el comportamiento de las galaxias y los cúmulos de galaxias no parece ajustarse a las predicciones de la relatividad general. La materia oscura es una forma de explicar ese comportamiento. Del mismo modo, se puede pensar que la expansión acelerada del universo está impulsada por una energía oscura.
Sin embargo, todos los intentos de detectar directamente la materia oscura y la energía oscura han fallado. Ese hecho "deja un mal sabor en la boca de algunas personas, casi como el planeta ficticio Vulcan", dijo Leo Stein, un físico teórico del Instituto de Tecnología de California. "¿Tal vez estamos haciendo todo mal?"
Para que funcione cualquier teoría alternativa de la gravedad, no solo debe eliminar la materia oscura y la energía oscura, sino también reproducir las predicciones de la relatividad general en todos los contextos estándar. "El negocio de las teorías alternativas de la gravedad es desordenado", dijo Archibald. Algunos posibles reemplazos de la relatividad general, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, no ofrecen predicciones comprobables. Otros "hacen predicciones que son espectacularmente erróneas, por lo que los teóricos tienen que idear algún tipo de mecanismo de detección para ocultar la predicción incorrecta en escalas que en realidad podemos evaluar", dijo.
Las teorías de gravedad alternativa más conocidas se conocen como dinámica newtoniana modificada, comúnmente abreviada como MOND. Las teorías de tipo MOND intentan eliminar la materia oscura modificando nuestra definición de gravedad. Los astrónomos han observado durante mucho tiempo que la fuerza gravitacional debida a la materia ordinaria no parece ser suficiente para mantener las estrellas en movimiento dentro de sus galaxias. Se supone que la atracción gravitatoria de la materia oscura compensa la diferencia. Pero según MOND, simplemente hay dos tipos de gravedad. En regiones donde la fuerza de la gravedad es fuerte, los cuerpos obedecen la ley de gravedad de Newton, que establece que la fuerza de la gravedad entre dos objetos disminuye en proporción al cuadrado de la distancia que los separa. Pero en ambientes de gravedad extremadamente débil, como las partes exteriores de una galaxia, MOND sugiere que otro tipo de gravedad está en juego. Esta gravedad disminuye más lentamente con la distancia, lo que significa que no se debilita tanto. "La idea es hacer que la gravedad sea más fuerte cuando debería ser más débil, como en las afueras de una galaxia", dijo Zumalacárregui.
LUCY READING-IKKANDA/QUANTA MAGAZINE
Luego está TeVeS (tensor-vector-escalar), el primo relativista de MOND. Mientras que MOND es una modificación de la gravedad newtoniana, TeVeS es un intento de tomar la idea general de MOND y convertirla en una teoría matemática completa que se puede aplicar al universo como un todo, no solo a objetos relativamente pequeños como sistemas solares y galaxias . También explica las curvas de rotación de las galaxias haciendo que la gravedad sea más fuerte en sus alrededores. Pero TeVeS lo hace al aumentar la gravedad con campos "escalares" y "vectores" que "esencialmente amplifican la gravedad", dijo Fabian Schmidt, un cosmólogo del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Alemania. Un campo escalar es como la temperatura en toda la atmósfera: en cada punto tiene un valor numérico pero no una dirección. Un campo vectorial, por el contrario, es como el viento: tiene tanto un valor (la velocidad del viento) como una dirección.
También existen las llamadas teorías de Galileon, que forman parte de una clase de teorías llamadas Horndeski y más allá, Horndeski, que intentan deshacerse de la energía oscura. Estas modificaciones de la relatividad general también introducen un campo escalar. Existen muchas de estas teorías (la teoría de Brans-Dicke, las teorías de dilaton, las teorías del camaleón y la quintaesencia son solo algunas de ellas), y sus predicciones varían ampliamente entre los modelos. Pero todos cambian la expansión del universo y modifican la fuerza de la gravedad. La teoría de Horndeski fue presentada por primera vez por Gregory Horndeski en 1974, pero la comunidad más amplia de la física la tomó en cuenta alrededor de 2010. Por entonces, Zumalacárregui dijo: "Gregory Horndeski (había) abandonado la ciencia y (se había convertido) en pintor en Nuevo México".
También hay teorías independientes, como la del físico Erik Verlinde. De acuerdo con su teoría, las leyes de la gravedad surgen naturalmente de las leyes de la termodinámica al igual que "la forma en que las olas emergen de las moléculas de agua en el océano", dijo Zumalacárregui. Verlinde escribió en un correo electrónico que sus ideas no son una "teoría alternativa" de la gravedad, sino "la siguiente teoría de la gravedad que contiene y trasciende la relatividad general de Einstein". Pero todavía está desarrollando sus ideas. "Mi impresión es que la teoría aún no está lo suficientemente desarrollada como para permitir el tipo de pruebas de precisión que llevamos a cabo", dijo Archibald. Se basa en "palabras elegantes", dijo Zumalacárregui, "pero no hay un marco matemático para calcular las predicciones y hacer pruebas sólidas".
Las predicciones hechas por otras teorías difieren de alguna manera de las de la relatividad general. Sin embargo, estas diferencias pueden ser sutiles, lo que las hace increíblemente difíciles de encontrar.
Considere la fusión de estrellas de neutrones. Al mismo tiempo que el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) detectó las ondas gravitacionales que emanaban del evento, el satélite Fermi basado en el espacio detectó un estallido de rayos gamma desde la misma ubicación. Las dos señales viajaron a través del universo durante 130 millones de años antes de llegar a la Tierra con solo 1,7 segundos de diferencia.
Estas observaciones casi simultáneas "teorías de TeVeS brutalmente y sin piedad", dijo Paulo Freire, un astrofísico en el Instituto Max Planck de Radio Astronomía en Bonn, Alemania. "La gravedad y las ondas gravitatorias se propagan a la velocidad de la luz, con una precisión extremadamente alta, lo cual no es en absoluto lo que predecían esas teorías (alternativas)".
El mismo destino superó algunas teorías de Galileo que agregan un campo escalar adicional para explicar la expansión acelerada del universo. Estos también predicen que las ondas gravitacionales se propagan más lentamente que la luz. La fusión de estrellas de neutrones los mató también, dijo Schmidt.
Otros límites provienen de los nuevos sistemas pulsar. En 2013, Archibald y sus colegas encontraron un sistema triple inusual: un púlsar y una enana blanca que orbitan entre sí, con una segunda enana blanca en órbita alrededor de la pareja. Estos tres objetos existen en un espacio más pequeño que la órbita de la Tierra alrededor del sol. El ajuste ajustado, Archibald dijo, ofrece las condiciones ideales para probar un aspecto crucial de la relatividad general llamado principio de equivalencia fuerte, que establece que los objetos de gran densidad muy densos como las estrellas de neutrones o los agujeros negros "caen" de la misma manera cuando se colocan un campo gravitacional. (En la Tierra, el principio de equivalencia débil más familiar establece que, si ignoramos la resistencia del aire, una pluma y un ladrillo caerán a la misma velocidad).
El sistema triple permite verificar si el púlsar y la enana blanca interna caen exactamente de la misma manera en la gravedad de la enana blanca externa. Las teorías de gravedad alternativa asumen que el campo escalar generado en el pulsar debe doblar el espacio-tiempo de una manera mucho más extrema que la enana blanca. Los dos no caerían de manera similar, lo que llevaría a una violación del principio de equivalencia fuerte y, con ello, la relatividad general.
En los últimos cinco años, Archibald y su equipo han registrado 27,000 mediciones de la posición del púlsar mientras orbita las otras dos estrellas. Si bien el proyecto aún es un trabajo en progreso, parece que los resultados estarán en total acuerdo con Einstein, dijo Archibald. "Podemos decir que el grado en que el pulsar se comporta de forma anormal es, como máximo, unas pocas partes en un millón. Para un objeto con una gravedad tan fuerte como para seguir las predicciones de Einstein tan bien, si hay uno de estos campos escalares, tiene que tener un efecto muy pequeño ".
La prueba, que debería publicarse pronto, establecerá las mejores restricciones aún para todo un grupo de teorías alternativas de la gravedad, agregó. Si una teoría solo funciona con algún campo escalar adicional, entonces el campo debería cambiar el comportamiento del pulsar. "Tenemos pruebas tan sensibles de la relatividad general que necesitan ocultar de alguna manera el nuevo comportamiento de la teoría en el sistema solar y en los sistemas pulsar como el nuestro", dijo Archibald.
Los datos de otro sistema de pulsar apodado el doble pulsar, mientras tanto, originalmente se suponía que eliminarían las teorías TeVeS. Detectado en 2003, el pulsar doble fue hasta hace poco el único sistema binario de estrella de neutrones en el que ambas estrellas de neutrones eran púlsares. Freire y sus colegas ya han confirmado que el comportamiento del doble pulsar está perfectamente en línea con la relatividad general. Justo antes del anuncio de octubre de LIGO de una fusión de estrella de neutrones, los investigadores iban a publicar un documento que acabaría con TeVeS. Pero LIGO hizo el trabajo por ellos, dijo Freire. "No necesitamos pasar por eso nunca más".
Supervivientes resbaladizos
Algunas teorías han sobrevivido al golpe de LIGO, y probablemente sobrevivirán a los próximos datos de pulsar, dijo Zumalacárregui. Hay algunas teorías de Horndeski y más allá de Horndeski que no cambian la velocidad de las ondas gravitacionales. Luego están las llamadas teorías masivas de la gravedad. Normalmente, los físicos suponen que la partícula asociada con la fuerza de la gravedad, el gravitón, no tiene masa. En estas teorías, el gravitón tiene una masa muy pequeña pero distinta de cero. La fusión de estrellas de neutrones pone límites duros a estas teorías, dijo Zumalacárregui, ya que un gravitón masivo viajaría más despacio que la luz. Pero en algunas teorías se supone que la masa es extremadamente pequeña, al menos 20 órdenes de magnitud menor que la del neutrino, lo que significa que el gravitón aún se movería a casi la velocidad de la luz.
Hay otros pocos supervivientes menos conocidos, algunos de los cuales son importantes para seguir explorando, dijo Archibald, mientras la materia oscura y la energía oscura sigan siendo difíciles de alcanzar. "La energía oscura podría ser nuestra única pista de observación que apunta a una nueva y mejor teoría de la gravedad, o podría ser un fluido misterioso con propiedades extrañas, y nada que ver con la gravedad en absoluto", dijo.
Aún así, matar a las teorías es simplemente cómo se supone que la ciencia funciona, sostienen los investigadores que han estado explorando teorías alternativas de la gravedad. "Esto es lo que hacemos todo el tiempo, presentar una hipótesis de trabajo y probarla", dijo Enrico Barausse, del Instituto de Astrofísica de París, que ha trabajado en teorías similares a MOND. "99.9 por ciento de las veces descarta la hipótesis; el 0.1 por ciento restante del tiempo que gana el Premio Nobel ".
Zumalacárregui, quien también trabajó en estas teorías, se sintió "triste al principio" cuando se dio cuenta de que la detección de fusión de estrellas de neutrones había demostrado que las teorías de Galileo estaban equivocadas, pero finalmente "muy aliviado de que sucediera más temprano que tarde", dijo. LIGO estuvo a punto de cerrar durante 18 meses para actualizar el detector. "Si el evento hubiera sido un poco más tarde, todavía estaría trabajando en una teoría equivocada".
Anne Archibald, astrónoma de la Universidad de Amsterdam, ha estado estudiando el sistema triple para comprender el comportamiento de la gravedad. Crédito de la imagen: CEES BASSA
Entonces, ¿qué sigue para la relatividad general y las teorías de la gravedad modificada? "Esa pregunta me mantiene despierto por la noche más de lo que me gustaría", dijo Zumalacárregui. "La buena noticia es que hemos reducido mucho nuestro alcance, y podemos tratar de entender a los pocos supervivientes mucho mejor".
Schmidt cree que es necesario medir las leyes de la gravedad a gran escala de la manera más directa posible, utilizando encuestas de galaxias grandes en curso y futuras. "Por ejemplo, podemos comparar el efecto de la gravedad sobre la flexión de la luz, así como las velocidades de las galaxias, generalmente se predice que será diferente en las teorías de la gravedad modificada", dijo. Los investigadores también esperan que futuros telescopios como el Square Kilometer Array descubran más sistemas pulsar y proporcionen una mejor precisión en el tiempo del pulsar para mejorar aún más las pruebas de gravedad. Y un reemplazo basado en el espacio para LIGO llamado LISA estudiará las ondas gravitacionales con una precisión exquisita, si es que se lanza como se planeó a mediados de la década de 2030. "Si eso no muestra desviaciones de la relatividad general, no sé lo que hará", dijo Barausse.
Pero muchos físicos están de acuerdo en que tomará mucho tiempo deshacerse de la mayoría de los modelos alternativos de gravedad. Los teóricos tienen docenas de teorías alternativas de la gravedad que podrían explicar potencialmente la materia oscura y la energía oscura, dijo Freire. Algunas de estas teorías no pueden hacer predicciones comprobables, dijo Archibald, y muchas "tienen un parámetro, una 'perilla' a la que pueden acudir para que pasen cualquier prueba que deseen", dijo. Pero en algún momento, dijo Nicolas Yunes, físico de la Universidad Estatal de Montana, "esto se vuelve una tontería y la navaja de Occam gana".
Aún así, "fundamentalmente sabemos que la relatividad general es incorrecta", dijo Stein. "En el núcleo mismo debe haber una falla" a nivel cuántico. "Tal vez no lo veamos a partir de observaciones astronómicas ... pero nos debemos a nosotros mismos, como científicos empíricos, comprobar si nuestros modelos matemáticos funcionan o no a estas escalas".
Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorial independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia al cubrir los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.
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Dos enanas blancas y un púlsar orbitan entre sí en un sistema que revela cómo se comporta la gravedad en ambientes extremos. Crédito de la imagen: ERIC NYQUIST / QUANTA MAGAZINE
Por Katia Moskvitch, para Wired Mayo 6 de 2018
Zumalacárregui, un físico teórico del Centro de Física Cosmológica de Berkeley, había estado estudiando cómo el descubrimiento de una colisión de estrella de neutrones afectaría las llamadas teorías "alternativas" de la gravedad. Estas teorías intentan superar lo que muchos investigadores consideran dos enormes problemas con nuestra comprensión del universo. Las observaciones que se remontan a décadas han demostrado que el universo parece estar lleno de partículas invisibles (materia oscura) y una fuerza antigravitacional llamada energía oscura. Las teorías alternativas de la gravedad intentan eliminar la necesidad de estos fantasmas modificando la fuerza de la gravedad de manera que describa adecuadamente todas las observaciones conocidas, sin necesidad de material oscuro.
En la reunión, Zumalacárregui bromeó con su público sobre los peligros de combinar ciencia y Twitter, y luego explicó cuáles serían las consecuencias si los rumores fueran ciertos. Muchos investigadores sabían que la fusión sería un gran problema, pero muchos de ellos simplemente "no habían entendido que sus teorías estaban al borde de la desaparición", escribió más tarde en un correo electrónico. En Saclay, les leyó los últimos ritos. "Esa conferencia fue como un funeral en el que estábamos dando la noticia a algunos asistentes".
La colisión de la estrella de neutrones fue solo el comienzo. Los nuevos datos en los meses posteriores a ese descubrimiento han hecho la vida cada vez más difícil para los defensores de muchas de las teorías de la gravedad modificada que permanecen. Los astrónomos han analizado sistemas astronómicos extremos que contienen estrellas de neutrones giratorias, o púlsares, para buscar discrepancias entre su movimiento y las predicciones de la relatividad general, discrepancias que anticipan algunas teorías de la gravedad alternativa. Estos sistemas pulsar permiten a los astrónomos probar la gravedad en una nueva escala y con nueva precisión. Y con cada nueva observación, estas teorías alternativas de la gravedad tienen cada vez más dificultades para resolver los problemas para los que fueron inventadas. Los investigadores "tienen que sudar un poco más tratando de obtener nueva física", dijo Anne Archibald, astrofísica de la Universidad de Ámsterdam.
Buscando a Vulcano
Las observaciones confusas tienen una manera de llevar a los astrónomos a explicaciones desesperadas. En la tarde del 26 de marzo de 1859, Edmond Lescarbault, un joven médico y astrónomo aficionado en Orgères-en-Beauce, un pequeño pueblo al sur de París, tuvo un descanso entre los pacientes. Corrió a un pequeño observatorio casero en el techo de su granero de piedra. Con la ayuda de su telescopio, vio un objeto redondo desconocido que se movía por la cara del sol.
Rápidamente envió noticias de este descubrimiento a Urbain Le Verrier, el astrónomo líder mundial en ese momento. Le Verrier había estado tratando de dar cuenta de una rareza en el movimiento del planeta Mercurio. Todos los demás planetas orbitan alrededor del Sol en perfecto acuerdo con las leyes de movimiento y gravitación de Isaac Newton, pero Mercurio parecía avanzar una pequeña cantidad con cada órbita, un fenómeno conocido como precesión del perihelio. Le Verrier estaba seguro de que tenía que haber un planeta invisible "oscuro" tirando de Mercurio. La observación de Lescarbault de una mancha oscura que transitaba el sol parecía mostrar que el planeta, que Le Verrier llamaba Vulcano, era real.
No era. Los avistamientos de Lescarbault nunca se confirmaron, y la precesión del perihelio de Mercurio siguió siendo un enigma durante casi seis décadas más. Luego Einstein desarrolló su teoría de la relatividad general, que pronosticó directamente que Mercurio debería comportarse de la manera en que lo hace.
A map of the solar system from 1846 shows the presumed orbit of Vulcan, a hypothetical planet that was invoked to explain a puzzling feature of Mercury’s orbit. Image credit: E. JONES & G.W. NEWMAN
En el impulso de Le Verrier para explicar las observaciones desconcertantes mediante la introducción de un objeto hasta ahora oculto, algunos investigadores modernos ven paralelismos con la historia de la materia oscura y la energía oscura. Durante décadas, los astrónomos han notado que el comportamiento de las galaxias y los cúmulos de galaxias no parece ajustarse a las predicciones de la relatividad general. La materia oscura es una forma de explicar ese comportamiento. Del mismo modo, se puede pensar que la expansión acelerada del universo está impulsada por una energía oscura.
Sin embargo, todos los intentos de detectar directamente la materia oscura y la energía oscura han fallado. Ese hecho "deja un mal sabor en la boca de algunas personas, casi como el planeta ficticio Vulcan", dijo Leo Stein, un físico teórico del Instituto de Tecnología de California. "¿Tal vez estamos haciendo todo mal?"
Para que funcione cualquier teoría alternativa de la gravedad, no solo debe eliminar la materia oscura y la energía oscura, sino también reproducir las predicciones de la relatividad general en todos los contextos estándar. "El negocio de las teorías alternativas de la gravedad es desordenado", dijo Archibald. Algunos posibles reemplazos de la relatividad general, como la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles, no ofrecen predicciones comprobables. Otros "hacen predicciones que son espectacularmente erróneas, por lo que los teóricos tienen que idear algún tipo de mecanismo de detección para ocultar la predicción incorrecta en escalas que en realidad podemos evaluar", dijo.
Las teorías de gravedad alternativa más conocidas se conocen como dinámica newtoniana modificada, comúnmente abreviada como MOND. Las teorías de tipo MOND intentan eliminar la materia oscura modificando nuestra definición de gravedad. Los astrónomos han observado durante mucho tiempo que la fuerza gravitacional debida a la materia ordinaria no parece ser suficiente para mantener las estrellas en movimiento dentro de sus galaxias. Se supone que la atracción gravitatoria de la materia oscura compensa la diferencia. Pero según MOND, simplemente hay dos tipos de gravedad. En regiones donde la fuerza de la gravedad es fuerte, los cuerpos obedecen la ley de gravedad de Newton, que establece que la fuerza de la gravedad entre dos objetos disminuye en proporción al cuadrado de la distancia que los separa. Pero en ambientes de gravedad extremadamente débil, como las partes exteriores de una galaxia, MOND sugiere que otro tipo de gravedad está en juego. Esta gravedad disminuye más lentamente con la distancia, lo que significa que no se debilita tanto. "La idea es hacer que la gravedad sea más fuerte cuando debería ser más débil, como en las afueras de una galaxia", dijo Zumalacárregui.
LUCY READING-IKKANDA/QUANTA MAGAZINE
Luego está TeVeS (tensor-vector-escalar), el primo relativista de MOND. Mientras que MOND es una modificación de la gravedad newtoniana, TeVeS es un intento de tomar la idea general de MOND y convertirla en una teoría matemática completa que se puede aplicar al universo como un todo, no solo a objetos relativamente pequeños como sistemas solares y galaxias . También explica las curvas de rotación de las galaxias haciendo que la gravedad sea más fuerte en sus alrededores. Pero TeVeS lo hace al aumentar la gravedad con campos "escalares" y "vectores" que "esencialmente amplifican la gravedad", dijo Fabian Schmidt, un cosmólogo del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Alemania. Un campo escalar es como la temperatura en toda la atmósfera: en cada punto tiene un valor numérico pero no una dirección. Un campo vectorial, por el contrario, es como el viento: tiene tanto un valor (la velocidad del viento) como una dirección.
También existen las llamadas teorías de Galileon, que forman parte de una clase de teorías llamadas Horndeski y más allá, Horndeski, que intentan deshacerse de la energía oscura. Estas modificaciones de la relatividad general también introducen un campo escalar. Existen muchas de estas teorías (la teoría de Brans-Dicke, las teorías de dilaton, las teorías del camaleón y la quintaesencia son solo algunas de ellas), y sus predicciones varían ampliamente entre los modelos. Pero todos cambian la expansión del universo y modifican la fuerza de la gravedad. La teoría de Horndeski fue presentada por primera vez por Gregory Horndeski en 1974, pero la comunidad más amplia de la física la tomó en cuenta alrededor de 2010. Por entonces, Zumalacárregui dijo: "Gregory Horndeski (había) abandonado la ciencia y (se había convertido) en pintor en Nuevo México".
También hay teorías independientes, como la del físico Erik Verlinde. De acuerdo con su teoría, las leyes de la gravedad surgen naturalmente de las leyes de la termodinámica al igual que "la forma en que las olas emergen de las moléculas de agua en el océano", dijo Zumalacárregui. Verlinde escribió en un correo electrónico que sus ideas no son una "teoría alternativa" de la gravedad, sino "la siguiente teoría de la gravedad que contiene y trasciende la relatividad general de Einstein". Pero todavía está desarrollando sus ideas. "Mi impresión es que la teoría aún no está lo suficientemente desarrollada como para permitir el tipo de pruebas de precisión que llevamos a cabo", dijo Archibald. Se basa en "palabras elegantes", dijo Zumalacárregui, "pero no hay un marco matemático para calcular las predicciones y hacer pruebas sólidas".
Las predicciones hechas por otras teorías difieren de alguna manera de las de la relatividad general. Sin embargo, estas diferencias pueden ser sutiles, lo que las hace increíblemente difíciles de encontrar.
Considere la fusión de estrellas de neutrones. Al mismo tiempo que el Observatorio de Ondas Gravitacionales del Interferómetro Láser (LIGO) detectó las ondas gravitacionales que emanaban del evento, el satélite Fermi basado en el espacio detectó un estallido de rayos gamma desde la misma ubicación. Las dos señales viajaron a través del universo durante 130 millones de años antes de llegar a la Tierra con solo 1,7 segundos de diferencia.
Estas observaciones casi simultáneas "teorías de TeVeS brutalmente y sin piedad", dijo Paulo Freire, un astrofísico en el Instituto Max Planck de Radio Astronomía en Bonn, Alemania. "La gravedad y las ondas gravitatorias se propagan a la velocidad de la luz, con una precisión extremadamente alta, lo cual no es en absoluto lo que predecían esas teorías (alternativas)".
El mismo destino superó algunas teorías de Galileo que agregan un campo escalar adicional para explicar la expansión acelerada del universo. Estos también predicen que las ondas gravitacionales se propagan más lentamente que la luz. La fusión de estrellas de neutrones los mató también, dijo Schmidt.
Otros límites provienen de los nuevos sistemas pulsar. En 2013, Archibald y sus colegas encontraron un sistema triple inusual: un púlsar y una enana blanca que orbitan entre sí, con una segunda enana blanca en órbita alrededor de la pareja. Estos tres objetos existen en un espacio más pequeño que la órbita de la Tierra alrededor del sol. El ajuste ajustado, Archibald dijo, ofrece las condiciones ideales para probar un aspecto crucial de la relatividad general llamado principio de equivalencia fuerte, que establece que los objetos de gran densidad muy densos como las estrellas de neutrones o los agujeros negros "caen" de la misma manera cuando se colocan un campo gravitacional. (En la Tierra, el principio de equivalencia débil más familiar establece que, si ignoramos la resistencia del aire, una pluma y un ladrillo caerán a la misma velocidad).
El sistema triple permite verificar si el púlsar y la enana blanca interna caen exactamente de la misma manera en la gravedad de la enana blanca externa. Las teorías de gravedad alternativa asumen que el campo escalar generado en el pulsar debe doblar el espacio-tiempo de una manera mucho más extrema que la enana blanca. Los dos no caerían de manera similar, lo que llevaría a una violación del principio de equivalencia fuerte y, con ello, la relatividad general.
En los últimos cinco años, Archibald y su equipo han registrado 27,000 mediciones de la posición del púlsar mientras orbita las otras dos estrellas. Si bien el proyecto aún es un trabajo en progreso, parece que los resultados estarán en total acuerdo con Einstein, dijo Archibald. "Podemos decir que el grado en que el pulsar se comporta de forma anormal es, como máximo, unas pocas partes en un millón. Para un objeto con una gravedad tan fuerte como para seguir las predicciones de Einstein tan bien, si hay uno de estos campos escalares, tiene que tener un efecto muy pequeño ".
La prueba, que debería publicarse pronto, establecerá las mejores restricciones aún para todo un grupo de teorías alternativas de la gravedad, agregó. Si una teoría solo funciona con algún campo escalar adicional, entonces el campo debería cambiar el comportamiento del pulsar. "Tenemos pruebas tan sensibles de la relatividad general que necesitan ocultar de alguna manera el nuevo comportamiento de la teoría en el sistema solar y en los sistemas pulsar como el nuestro", dijo Archibald.
Los datos de otro sistema de pulsar apodado el doble pulsar, mientras tanto, originalmente se suponía que eliminarían las teorías TeVeS. Detectado en 2003, el pulsar doble fue hasta hace poco el único sistema binario de estrella de neutrones en el que ambas estrellas de neutrones eran púlsares. Freire y sus colegas ya han confirmado que el comportamiento del doble pulsar está perfectamente en línea con la relatividad general. Justo antes del anuncio de octubre de LIGO de una fusión de estrella de neutrones, los investigadores iban a publicar un documento que acabaría con TeVeS. Pero LIGO hizo el trabajo por ellos, dijo Freire. "No necesitamos pasar por eso nunca más".
Supervivientes resbaladizos
Algunas teorías han sobrevivido al golpe de LIGO, y probablemente sobrevivirán a los próximos datos de pulsar, dijo Zumalacárregui. Hay algunas teorías de Horndeski y más allá de Horndeski que no cambian la velocidad de las ondas gravitacionales. Luego están las llamadas teorías masivas de la gravedad. Normalmente, los físicos suponen que la partícula asociada con la fuerza de la gravedad, el gravitón, no tiene masa. En estas teorías, el gravitón tiene una masa muy pequeña pero distinta de cero. La fusión de estrellas de neutrones pone límites duros a estas teorías, dijo Zumalacárregui, ya que un gravitón masivo viajaría más despacio que la luz. Pero en algunas teorías se supone que la masa es extremadamente pequeña, al menos 20 órdenes de magnitud menor que la del neutrino, lo que significa que el gravitón aún se movería a casi la velocidad de la luz.
Hay otros pocos supervivientes menos conocidos, algunos de los cuales son importantes para seguir explorando, dijo Archibald, mientras la materia oscura y la energía oscura sigan siendo difíciles de alcanzar. "La energía oscura podría ser nuestra única pista de observación que apunta a una nueva y mejor teoría de la gravedad, o podría ser un fluido misterioso con propiedades extrañas, y nada que ver con la gravedad en absoluto", dijo.
Aún así, matar a las teorías es simplemente cómo se supone que la ciencia funciona, sostienen los investigadores que han estado explorando teorías alternativas de la gravedad. "Esto es lo que hacemos todo el tiempo, presentar una hipótesis de trabajo y probarla", dijo Enrico Barausse, del Instituto de Astrofísica de París, que ha trabajado en teorías similares a MOND. "99.9 por ciento de las veces descarta la hipótesis; el 0.1 por ciento restante del tiempo que gana el Premio Nobel ".
Zumalacárregui, quien también trabajó en estas teorías, se sintió "triste al principio" cuando se dio cuenta de que la detección de fusión de estrellas de neutrones había demostrado que las teorías de Galileo estaban equivocadas, pero finalmente "muy aliviado de que sucediera más temprano que tarde", dijo. LIGO estuvo a punto de cerrar durante 18 meses para actualizar el detector. "Si el evento hubiera sido un poco más tarde, todavía estaría trabajando en una teoría equivocada".
Anne Archibald, astrónoma de la Universidad de Amsterdam, ha estado estudiando el sistema triple para comprender el comportamiento de la gravedad. Crédito de la imagen: CEES BASSA
Entonces, ¿qué sigue para la relatividad general y las teorías de la gravedad modificada? "Esa pregunta me mantiene despierto por la noche más de lo que me gustaría", dijo Zumalacárregui. "La buena noticia es que hemos reducido mucho nuestro alcance, y podemos tratar de entender a los pocos supervivientes mucho mejor".
Schmidt cree que es necesario medir las leyes de la gravedad a gran escala de la manera más directa posible, utilizando encuestas de galaxias grandes en curso y futuras. "Por ejemplo, podemos comparar el efecto de la gravedad sobre la flexión de la luz, así como las velocidades de las galaxias, generalmente se predice que será diferente en las teorías de la gravedad modificada", dijo. Los investigadores también esperan que futuros telescopios como el Square Kilometer Array descubran más sistemas pulsar y proporcionen una mejor precisión en el tiempo del pulsar para mejorar aún más las pruebas de gravedad. Y un reemplazo basado en el espacio para LIGO llamado LISA estudiará las ondas gravitacionales con una precisión exquisita, si es que se lanza como se planeó a mediados de la década de 2030. "Si eso no muestra desviaciones de la relatividad general, no sé lo que hará", dijo Barausse.
Pero muchos físicos están de acuerdo en que tomará mucho tiempo deshacerse de la mayoría de los modelos alternativos de gravedad. Los teóricos tienen docenas de teorías alternativas de la gravedad que podrían explicar potencialmente la materia oscura y la energía oscura, dijo Freire. Algunas de estas teorías no pueden hacer predicciones comprobables, dijo Archibald, y muchas "tienen un parámetro, una 'perilla' a la que pueden acudir para que pasen cualquier prueba que deseen", dijo. Pero en algún momento, dijo Nicolas Yunes, físico de la Universidad Estatal de Montana, "esto se vuelve una tontería y la navaja de Occam gana".
Aún así, "fundamentalmente sabemos que la relatividad general es incorrecta", dijo Stein. "En el núcleo mismo debe haber una falla" a nivel cuántico. "Tal vez no lo veamos a partir de observaciones astronómicas ... pero nos debemos a nosotros mismos, como científicos empíricos, comprobar si nuestros modelos matemáticos funcionan o no a estas escalas".
Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorial independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia al cubrir los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.
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