Investigadores del IAC3 y la SISSA proporcionan la primera simulación de colisiones de estrellas de neutrones en extensiones de la relatividad general relevantes para la cosmología, que ofrece un nuevo enfoque para probar la gravedad
Una enorme cantidad de misteriosa energía oscura es necesaria para explicar los fenómenos cosmológicos, como la expansión acelerada del universo, con la teoría de Einstein. Pero, ¿y si la energía oscura fuera solo una ilusión y hubiera que modificar la propia relatividad general? Un nuevo estudio de la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA, Italia) y el Instituto de Aplicaciones Computacionales de Código Comunitario (IAC3) de la Universidad de las Illes Balears, publicado en Physical Review Letters, ofrece un nuevo enfoque para responder a esta pregunta.
Gracias a un enorme esfuerzo computacional y matemático, los científicos han producido la primera simulación de la fusión de estrellas binarias de neutrones en teorías más allá de la relatividad general que reproducen un comportamiento similar al de la energía oscura en escalas cosmológicas. Esto permite comparar la teoría de Einstein y versiones modificadas de la misma y, con datos suficientemente precisos, puede resolver el misterio de la energía oscura.
Desde hace unos cien años, la relatividad general ha tenido mucho éxito a la hora de describir la gravedad en diversos regímenes, y ha superado todas las pruebas experimentales en la Tierra y el sistema solar. Sin embargo, para explicar las observaciones cosmológicas, como la expansión acelerada del universo observada, es necesario introducir componentes oscuros, como la materia y la energía oscuras, que siguen siendo un misterio.
Enrico Barausse, astrofísico de la SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) e investigador principal de la beca del ERC GRAMS (Gravity from Astrophysical to Microscopic Scales), se pregunta si la energía oscura es real o, por el contrario, puede interpretarse como una ruptura de nuestra comprensión de la gravedad. «La existencia de la energía oscura podría ser solo una ilusión», dice, «la expansión acelerada del universo podría estar causada por algunas modificaciones aún desconocidas de la relatividad general, una especie de “gravedad oscura”».
La fusión de las estrellas de neutrones ofrece una situación única para poner a prueba esta hipótesis, ya que la gravedad que las rodea es llevada al extremo. «Las estrellas de neutrones son las más densas que existen, normalmente de solo diez kilómetros de radio, pero con una masa entre una y dos veces la de nuestro Sol», explica el científico. Y concluye: «Esto hace que la gravedad y el espacio-tiempo que las rodea sean extremos, lo que permite la producción abundante de ondas gravitacionales cuando dos de ellas colisionan. Podemos utilizar los datos adquiridos durante tales eventos para estudiar el funcionamiento de la gravedad y poner a prueba la teoría de Einstein en una nueva ventana.»
En este estudio, los investigadores del IAC3 y la SISSA produjeron la primera simulación de fusión de estrellas binarias de neutrones en teorías de gravedad modificada relevantes para la cosmología: «Este tipo de simulaciones es extremadamente desafiante», aclara Miguel Bezares, primer autor del trabajo, y continua: «debido a la naturaleza altamente no lineal del problema. Requiere un enorme esfuerzo computacional ―meses de ejecución en superordenadores― que fue posible también gracias al acuerdo entre la SISSA y el consorcio CINECA, así como a las novedosas formulaciones matemáticas que desarrollamos. Esto representó un gran obstáculo durante muchos años hasta nuestra primera simulación.»
Gracias a estas simulaciones, los investigadores pueden, finalmente, comparar la relatividad general y la gravedad modificada. «Sorprendentemente, descubrimos que la hipótesis de la “gravedad oscura” es igual de buena que la relatividad general a la hora de explicar los datos adquiridos por los interferómetros LIGO y Virgo durante las pasadas colisiones binarias de estrellas de neutrones. De hecho, las diferencias entre las dos teorías en estos sistemas son bastante sutiles, pero pueden ser detectables por los interferómetros gravitacionales de próxima generación, como el telescopio Einstein en Europa y el Cosmic Explorer en los Estados Unidos. Esto abre la apasionante posibilidad de utilizar las ondas gravitacionales para discriminar entre la energía oscura y la “gravedad oscura”», concluye Barausse.
Dos de los autores del estudio, Carlos Palenzuela y Ricard Aguilera-Miret, son investigadores del IAC3 de la UIB. Además, el primer autor, Miguel Bezares, se doctoró en la UIB bajo la dirección de Carlos Palenzuela.
Referencia bibliográfica
Miguel Bezares, Ricard Aguilera-Miret, Lotte ter Haar, Marco Crisostomi, Carlos Palenzuela, Enrico Barausse. No Evidence of Kinetic Screening in Simulations of Merging Binary Neutron Stars beyond General Relativity. Physical Review Letters, 2022; 128 (9) DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.091103.
Fecha de publicación: 07/03/2022