La teoría de la relatividad general es uno de los fundamentos básicos de la física. Explica cómo se comportan el espacio y el tiempo y su estrecha relación con la fuerza que domina el universo: la gravedad.

Según la relatividad general, la gravedad no es otra cosa que la curvatura del espaciotiempo. La teoría condensa en sus ecuaciones la relación entre la materia, la energía y la geometría del espaciotiempo. Tal y como expresó John Wheeler: «la materia le dice al espacio cómo curvarse y el espacio le dice a la materia cómo moverse».

100 años después de Einstein

La relatividad general fue formulada por Albert Einstein en 1915. Por lo tanto, los científicos llevan ya más de 100 años explorando sus extraordinarias consecuencias y poniéndola a prueba.

Gracias a la relatividad general hemos ido descubriendo objetos que anteriormente ni siquiera habíamos sido capaces de imaginar, como las enanas blancas, las estrellas de neutrones o los famosísimos y fascinantes agujeros negros.

Pero la relatividad general tiene aún mucho más. Ha permitido el descubrimiento de la expansión del universo, el desarrollo de la teoría del big bang y la observación de fenómenos tan impactantes como las lentes gravitacionales o la dilatación del tiempo debida a la gravedad. Incluso está presente en nuestro día a día, ya que sin ella sería imposible disponer de navegadores GPS. La lista de consecuencias verificadas de la teoría de Einstein es enormemente larga.

De hecho, los test a los que se ha sometido cada vez han sido más exigentes, y la teoría ha superado todos y cada uno de ellos de manera brillantísima.

Ondas gravitacionales y agujeros negros

Las últimas demostraciones han sido la detección directa de las ondas gravitacionales, predichas por Einstein en 1916, y las primeras imágenes de un agujero negro.

Solo ahora estamos llegando a un desarrollo tecnológico suficiente como para poner a prueba la relatividad general en escalas cosmológicas. Esto es lo que acaba de conseguir el proyecto DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument).

El proyecto DESI

DESI es un gran proyecto internacional en el que participan más de 900 investigadores de 16 países y 70 instituciones científicas. Algunos de sus principales objetivos son el estudio preciso del modelo estándar de la cosmología (la teoría ΛCDM), la medida de las propiedades físicas de la energía oscura y el estudio de la relatividad general en las escalas más grandes posibles.

Todo ello mediante la realización de gigantescos mapas del universo, cartografiando la posición y la velocidad de millones de galaxias y cuásares. Para conseguir estos objetivos, el equipo internacional construyó un sistema completo de espectrógrafos capaz de obtener los espectros de 5 000 objetos celestes de manera simultánea, unas 10 veces más que cualquier proyecto anterior.

DESI cuenta con participación española con grupos en Madrid (CIEMAT e IFT), Barcelona (IFAE, ICE e ICCUB), Canarias (IAC) y Granada (IAA).

DESI lleva tomando datos algo más de 3 años y está previsto que continúe al menos otros 2 más. Durante este tiempo acumulará más de 40 millones de galaxias y cuásares.

El instrumento está instalado en el telescopio Mayall del observatorio Kitt Peak en Arizona, EE. UU. Los resultados que se acaban de hacer públicos corresponden al análisis científico del primer año de datos (tomados entre abril de 2021 y mayo de 2022), pero ya han producido el mapa tridimensional más completo del universo construido hasta la fecha. Es mayor que el conjunto de todos los mapas espectroscópicos anteriores juntos.

La muestra de datos analizada contiene unos 6 millones de galaxias y cuásares situados a distancias que varían entre 1 000 y 11 000 millones de años luz de la Tierra, lo que permite estudiar la historia del universo con un detalle sin precedentes.

Las estructuras crecen como Einstein propuso

A pesar de haber analizado solamente el primer año de datos, DESI ha conseguido ya realizar las medidas más precisas del crecimiento de las estructuras del universo.

Las estructuras que contiene nuestro cosmos (galaxias, cúmulos de galaxias, supercúmulos de galaxias) se forman debido a la acción atractiva de la fuerza de la gravedad. Si esta es muy intensa, las estructuras crecen más deprisa y serán de mayor tamaño. Por el contrario, si la gravedad es menos intensa, crecen más despacio y serán más pequeñas.

Midiendo con precisión el crecimiento de estructura a lo largo de la historia del universo, como ha hecho DESI, se pueden determinar las propiedades de esta fuerza, que es la que domina en el universo. Es el test de la fuerza de la gravedad más preciso de la historia en escalas cosmológicas y, una vez más, la relatividad general lo ha superado con gran brillantez. Einstein sigue teniendo razón.

Los neutrinos en la formación de estrucutras cósmicas

Los resultados obtenidos por DESI permiten también obtener información acerca de los neutrinos.

Sabemos que hay tres tipos diferentes de neutrinos, y sabemos también que son partículas masivas. DESI ha permitido obtener información nueva acerca del valor sus masas. Este es un resultado muy interesante porque los neutrinos son las únicas partículas elementales cuyas masas no han sido medidas todavía.

La razón es que las masas de estas partículas son tan pequeñas que los experimentos de laboratorio actuales no son suficientemente sensibles como para medirlas. Sin embargo, como en el universo hay muchos neutrinos, a pesar de tener masa muy pequeña afectan a la formación de estructuras.

Por ser partículas tan ligeras, la gravedad actúa poco sobre ellas, de tal manera que hacen más difícil que se formen estructuras grandes. Y es tanto más difícil cuanto más pequeñas sean sus masas. Teniendo todo esto en cuenta, el estudio detallado que ha hecho DESI permite establecer un valor máximo a la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos: 0,071 eV/c² . Como referencia, la masa de un protón es muy aproximadamente 1 000 millones de eV/c² .

Los experimentos de física de partículas han establecido una cota inferior para la suma de las masas: 0,058 eV/c². Por lo tanto, queda una ventana muy pequeña para los valores posibles de las masas de los neutrinos. Según los resultados de DESI vayan mejorando, esta ventana se irá estrechando más y más hasta que consigamos finalmente determinar su valor.

Además, de la combinación de los resultados de DESI con otras observaciones cosmológicas se obtienen indicios que desafían al modelo teórico actual del universo, ΛCDM. Los datos combinados de DESI y otros experimentos parecen indicar que la energía oscura podría estar cambiando con el tiempo, un resultado de enorme interés que podría ser la primera pista de que la teoría actual tiene que ser ampliada con nueva física.

Quizá estemos presenciando los primeros pasos de una revolución en nuestra comprensión del cosmos. Permanezcan atentos.

Eusebio Sánchez Álvaro, cosmología y física de partículas, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.