Físicos de la Universidad de Durham, en el Reino Unido, han simulado las fuerzas que rigen en el cosmos utilizando un modelo alternativo para la gravedad - f(R) Gravity- Gravedad f(R), a partir de la llamada Teoría de los Camaleones. Las imágenes resultantes producidas por las simulaciones muestran que galaxias como nuestra Vía Láctea podrían formarse en el universo según las pautas de diferentes Leyes de Gravedad.
La Teoría de los Camaleones asume que la gravedad puede cambiar de comportamiento en relación con el entorno
Los hallazgos, los cuales se explican en el articulo titulado Realistic Simulations of Galaxy Formation in f(R) Modified Gravity, y cuyos resultados se publican hoy en la revista especializada Nature Astronomy, muestran la viabilidad de la Teoría de los Camaleones, llamada así por asumir que la gravedad puede cambiar de comportamiento en relación con el entorno. Dicha teoría, se presenta como una alternativa a la Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein para explicar la formación de estructuras en el universo. La investigación también podría ayudar a comprender mejor la naturaleza de la energía oscura, la misteriosa sustancia que acelera la velocidad de expansión del universo.
Sobre la Relatividad y los Camaleones
La Teoria de la Relatividad General fue desarrollada por Albert Einstein a principios del siglo XX para explicar el efecto gravitatorio de los grandes objetos en el espacio, por ejemplo, para explicar la órbita de Mercurio en el sistema solar. Es la base de la cosmología moderna, pero también desempeña un papel importante en la vida cotidiana, por ejemplo, a la hora de calcular las posiciones de GPS en un dispositivo móvil como los teléfonos.
Los científicos ya saben, a partir de los cálculos teóricos, que la Teoría de los Camaleones puede reproducir el éxito de la Relatividad General en el sistema solar. El equipo de Durham ahora ha demostrado que esta teoría permite dar una explicación realista para la formación de galaxias como nuestra Vía Láctea. El coautor principal de la investigación, el doctor Christian Arnold, del Instituto de Cosmología Computacional de la Universidad de Durham, explica que: “la Teoría de los Camaleones permite modificar las leyes de la gravedad para que podamos evaluar el efecto de sus cambios en la formación de galaxias. A través de nuestras simulaciones, hemos demostrado por primera vez que incluso si se producen cambios en la gravedad, no se vería afectada la formación de galaxias de disco con brazos en espiral".
"Nuestra investigación no supone que la Teoría de la Relatividad General sea incorrecta; no obstante muestra que no tiene que ser la única forma de explicar el papel de la gravedad en la evolución del universo", añade Arnold.
La formación de las Galaxias
Los investigadores observaron la interacción entre la gravedad en la Teoría de los Camaleones y los agujeros negros supermasivos que se ubican en el centro de las galaxias. Los agujeros negros desempeñan un papel clave en la formación de galaxias porque el calor y el material que expulsan al tragar la materia circundante pueden agotar el gas necesario para formar estrellas, lo que detiene su formación.
La cantidad de calor expulsado por los agujeros negros varía al cambiar la gravedad, lo que también afecta a la forma en que se forman las galaxias. Sin embargo, las nuevas simulaciones mostraron que incluso teniendo en cuenta este cambio en la gravedad postulado por la Teoría de los Camaleones, todavía se podían formar galaxias.
La energía oscura y la expansión del universo
La Teoría de la Relatividad General también tiene consecuencias para comprender la expansión acelerada del universo. Los científicos creen que esta expansión está siendo impulsada por la llamada energía oscura, y de este modo los investigadores de la Universidad de Durham también defienden que sus hallazgos podrían abrir una puerta para explicar las propiedades de esta sustancia.
El coautor principal del estudio, el profesor Baojiu Li, también del Instituto de Cosmología Computacional de la Universidad de Durham, declara que: "en la Teoría de la Relatividad General, los científicos explican la expansión acelerada del universo al introducir una forma misteriosa de materia llamada energía oscura, que actuaría como una constante cosmológica en el espacio y el tiempo. Sin embargo, las alternativas a una constante cosmológica que explica esta expansión acelerada modificando la ley de la gravedad, como la gravedad f (R), deberían ser también ampliamente consideradas dado lo poco que aún se sabe acerca de la energía oscura ”.
Los investigadores de Durham esperan que sus hallazgos se puedan probar a través de futuras observaciones utilizando el telescopio Square Kilometer Array -SKA- que con sedes en Australia y Sudáfrica, comenzarán a realizar sus observaciones en 2020. SKA será el radiotelescopio más grande del mundo y pretende desafiar la Teoría General de la Relatividad de Einstein, observar cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias después del Big Bang y ayudar a los científicos a comprender la naturaleza de la energía oscura.
La quinta fuerza
Los términos de este reportaje son realmente complejos, abstractos y difíciles de entender para la mayoría de la población. Es por ello que desde National Geographic nos hemos puesto en contacto con el profesor Baujiu Li, coautor del estudio, para que explique un poco más en profundidad los fundamentos de su investigación y sus implicaciones.
Li nos explica por correo electrónico que la Teoría de los Camaleones es una de las teorías sobre la gravedad alternativas a la Relatividad General de Albert Einstein. "En esta teoría, además de la fuerza gravitacional estándar, existe una fuerza adicional a los que los científicos denominan "la quinta fuerza", llamada así por ser diferente a los 4 tipos de interacciones fundamentales que rigen en el universo - la Fuerza Nuclear Fuerte, La Fuerza Electromagnética, la Fuerza Nuclear Débil y la Fuerza de la Gravedad."
"Esta quinta fuerza ha sido difícil de determinar en regiones donde existen grandes cantidades de materia como nuestro sistema solar, en el cual no se han encontrados evidencias de la misma. Esto ha llevado a los científicos a hipotetizar que esta fuerza podría permanecer "oculta" en estas partes del universo", continúa Li. "Sin embargo, en las regiones de baja densidad del universo, donde los datos experimentales aún son escasos, podrían encontrarse evidencias de la actuación de esta la fuerza adicional, lo que afectaría a la manera en que los objetos gravitan en el universo. Así, el comportamiento de la quinta fuerza dependería del entorno y es por ello que la teoría se conoce como la "Teoría de los Camaleones". Y de este modo, debido a que la materia se encuentra en densidades muy bajas en la mayor parte del universo, el cosmos puede ser un lugar ideal para encontrar indicios que apoyen y prueben esta teoría".
Buscando explicación a un universo que acelera su expansión
La Teoría de la Relatividad General de Albert Einstein ha tenido mucho éxito y hoy en día es uno de los cimientos de la cosmología moderna. Sin embargo, algo que ha sido desconcertante para los cosmólogos es la evidencia observacional de que la expansión del Universo se está acelerando. En el marco de Relatividad General, la tasa de expansión del universo está determinada por la densidad de materia en el mismo, y al tomar en cuenta toda la materia conocida, incluida la materia oscura, la teoría predice que esta expansión debería desacelerarse. "Esto no ha ocurrido hasta el momento, por lo tanto, uno debe asumir que hay otros materiales, hasta ahora no detectados, presentes en el Universo, que aceleran su velocidad de expansión" explica Li. "Una constante cosmológica es una de las posibilidades más simples, pero su origen y valor han demostrado ser difíciles de explicar, lo que motiva otras explicaciones alternativas a la Relatividad General. En este sentido la Teoría de los Camaleones es una de las alternativas más populares, pero no la única", continua.
Álex Riveiro, divulgador científico y autor del blog Astrobitácora, nos explica por su parte que "la teoría de los Camaleones no es el primer intento de explicar y entender la energía oscura. Su planteamiento es intrigante porque plantea que su comportamiento está relacionado directamente con su entorno. De existir, sería lo que conocemos popularmente como energía oscura. Pero comprobar si realmente está ahí no será nada sencillo incluso con los próximos experimentos".
"La quinta fuerza es, en mi opinión, la mayor diferencia entre la Teoría de los Camaleones y la Relatividad General. Lo que hemos encontrado en nuestra investigación es que las galaxias como nuestra Vía Láctea pueden incluso responder al comportamiento de esta quinta fuerza - lo que de ninguna manera está demostrado- no obstante también hace predicciones distintas sobre la evolución de la estructura a gran escala del universo desde la Teoría de la Relatividad general" concluye Li.
Como apunta el propio Álex Riveiro, "en cualquier caso, será muy interesante ver qué sucede. Es un buen recordatorio de que todavía quedan muchas cosas por comprender en el universo".