25 de Junio de 2018
Gravitación

Primer test de precisión de la relatividad general a escala galáctica

Una galaxia cercana certifica que la teoría de Einstein sigue siendo válida con un elevado nivel de precisión hasta escalas de miles de años luz. El resultado pone cotas a algunas teorías que postulaban modificaciones de la gravedad a distancias galácticas.

Imagen de la galaxia ESO 325-G004 (izquierda) y del anillo de Einstein (inserto) generado por la curvatura de los rayos de luz procedentes de una fuente distante. [ESO/NASA/Telescopio Hubble]

La teoría de la relatividad general, formulada hace más de un siglo por Albert Einstein, predice que la masa y la energía deforman la geometría del espaciotiempo circundante. Una de las consecuencias más palpables de esa deformación del espacio es que los rayos de luz deberían «torcerse» de cierta manera en las inmediaciones de un cuerpo muy masivo, un efecto que ha sido observado en multitud de ocasiones y que da lugar a lo que los astrónomos denominan «lente gravitacional».

Al respecto, la teoría de Einstein hace dos predicciones cuantitativas. Por un lado, determina con exactitud cuánto debería curvarse el espacio por unidad de masa. Por otro, establece que dicho cociente entre curvatura y masa debería ser el mismo con independencia del tamaño del sistema; es decir, que los rayos de luz deberían curvarse en la misma proporción tanto si el cuerpo que deforma el espacio es una naranja como si se trata de una estrella, un agujero negro supermasivo o una galaxia entera.

Hasta ahora, este tipo de predicciones se habían verificado con un elevado nivel de precisión a la escala del sistema solar. Sin embargo, la situación era mucho más ambigua a escalas galácticas. Esa situación acaba de cambiar gracias a un trabajo realizado por Thomas Collet, de la Universidad de Portsmouth, y otros investigadores, quienes han efectuado el primer test de precisión de la relatividad general a distancias galácticas. Los resultados se publican en Science.

Para llevar a cabo su estudio, los autores se sirvieron de la lente gravitacional generada por ESO 325-G004, una galaxia relativamente cercana situada a unos 450 millones de años luz de la Tierra. Dicha galaxia presenta a su alrededor un «anillo de Einstein»: una circunferencia luminosa causada por la curvatura de los rayos de luz procedentes de una segunda galaxia, mucho más alejada y situada tras ESO 325-G004 según se vería desde la Tierra.

Por un lado, la estructura de dicho anillo permite calcular cuánto se curva la luz —y, por tanto, el espacio en sí— en torno a ESO 325-G004. Por otro, la poca distancia a la que se encuentra ESO 325-G004 ha posibilitado calcular su masa con precisión. Ello se debe a que, al contrario de lo que ocurre con objetos más lejanos, los investigadores han podido resolver la estructura de la galaxia y estudiar la velocidad a la que orbitan sus estrellas, lo que permite inferir su masa a partir de la ley de Newton. Al comparar la deflexión de los rayos de luz con la masa de la galaxia, los investigadores han podido poner a prueba las predicciones de la teoría de Einstein a dichas escalas. 

Si bien hasta ahora se conocían cientos de lentes gravitacionales, la lejanía a la que se encuentran la mayoría de ellas solo permitía obtener una estimación aproximada de sus respectivas masas, lo que impedía alcanzar el grado de precisión logrado ahora por Collet y su equipo.

En 2003, la misión Cassini, de la NASA, llevó a cabo el mismo tipo de test al estudiar la trayectoria de los fotones que pasaban cerca del Sol, lo que permitió verificar la teoría de Einstein con la sorprendente precisión de unas pocas partes por cien mil. A escalas galácticas, sin embargo, las predicciones de la relatividad general solo habían podido comprobarse con una precisión de entre el 20 y el 30 por ciento.

El trabajo de Collet y colaboradores ha corroborado las predicciones de la teoría de Einstein con una precisión de pocos puntos porcentuales hasta distancias de unos 6000 años luz. El resultado pone cotas a algunas teorías alternativas que, en los últimos años, habían intentado explicar la expansión acelerada del universo postulando que, a escalas galácticas, la gravedad dejaría de comportarse del modo predicho por la relatividad general.

Fuente: ESA/Hubble.

Referencia: «A precise extragalactic test of General Relativity». Thomas E. Collett et al. en Science, vol. 360, n.o 6395, págs. 1342-1346, 22 de junio de 2018.

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