La força que domina l'univers: Einstein continua tenint raó

La teoria de la relativitat general és un dels fonaments bàsics de la física. Explica com es comporten l'espai i el temps i la seua estreta relació amb la força que domina l'univers: la gravetat.

Segons la relativitat general, la gravetat no és una altra cosa que la curvatura de l'espaciotiempo. La teoria condensa en les seues equacions la relació entre la matèria, l'energia i la geometria de l'espaciotiempo. Tal com va expressar John Wheeler: «la matèria li diu a l'espai com corbar-se i l'espai li diu a la matèria com moure's».

100 anys després d'Einstein

La relativitat general va ser formulada per Albert Einstein en 1915. Per tant, els científics porten ja més de 100 anys explorant les seues extraordinàries conseqüències i posant-la a prova.

Gràcies a la relativitat general hem anat descobrint objectes que anteriorment ni tan sols havíem sigut capaços d'imaginar, com les nanes blanques, les estreles de neutrons o els famosíssims i fascinants forats negres.

Però la relativitat general té encara molt més. Ha permés el descobriment de la expansió de l'univers, el desenrotllament de la teoria del big bang i l'observació de fenòmens tan impactants com les lents gravitacionals o la dilatació del temps deguda a la gravetat. Fins i tot és present en el nostre dia a dia, ja que sense ella seria impossible disposar de navegadors GPS. La llista de conseqüències verificades de la teoria d'Einstein és enormement llarga.

De fet, els test als quals s'ha sotmés cada vegada han sigut més exigents, i la teoria ha superat tots i cadascun d'ells de manera brillantíssima.

Ondas gravitacionals i forats negres

Les últimes demostracions han sigut la detecció directa de les ones gravitacionals, predites per Einstein en 1916, i les primeres imatges d'un forat negre.

Sol ara estem arribant a un desenrotllament tecnològic suficient com per a posar a prova la relativitat general en escales cosmològiques. Això és el que acaba d'aconseguir el projecte DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument).

El projecte DESI

DESI és un gran projecte internacional en el qual participen més de 900 investigadors de 16 països i 70 institucions científiques. Alguns dels seus principals objectius són l'estudi precís del model estàndard de la cosmologia (la teoria ΛCDM), la mesura de les propietats físiques de la energia fosca i l'estudi de la relativitat general en les escales més grans possibles.

Tot això mitjançant la realització de gegantescos mapes de l'univers, cartografiant la posició i la velocitat de milions de galàxies i quàsars. Per a aconseguir estos objectius, l'equip internacional va construir un sistema complet d'espectrògrafs capaç d'obtindre els espectres de 5 000 objectes celestes de manera simultània, unes 10 vegades més que qualsevol projecte anterior.

DESI compta amb participació espanyola amb grups a Madrid (CIEMAT e IFT), Barcelona (IFAE, ICE e ICCUB), Canàries (IAC) i Granada (IAA).

DESI porta prenent dades una mica més de 3 anys i està previst que continue almenys altres 2 més. Durant este temps acumularà més de 40 milions de galàxies i quàsars.

L'instrument està instal·lat en el telescopi Mayall de l'observatori Kitt Peak a Arizona, EE. UU. Els resultats que s'acaben de fer públics corresponen a l'anàlisi científica del primer any de dades (presos entre abril de 2021 i maig de 2022), però ja han produït el mapa tridimensional més complet de l'univers construït fins a la data. És major que el conjunt de tots els mapes espectroscòpics anteriors junts.

La mostra de dades analitzada conté uns 6 milions de galàxies i quàsars situats a distàncies que varien entre 1 000 i 11 000 milions d'anys llum de la Terra, la qual cosa permet estudiar la història de l'univers amb un detall sense precedents.

Les estructures creixen com Einstein va proposar

Malgrat haver analitzat solament el primer any de dades, DESI ha aconseguit ja realitzar les mesures més precises del creixement de les estructures de l'univers.

Les estructures que conté el nostre cosmos (galàxies, cúmuls de galàxies, supercúmulos de galàxies) es formen a causa de l'acció atractiva de la força de la gravetat. Si esta és molt intensa, les estructures creixen més de pressa i seran de major grandària. Per contra, si la gravetat és menys intensa, creixen més a poc a poc i seran més xicotetes.

Mesurant amb precisió el creixement d'estructura al llarg de la història de l'univers, com ha fet DESI, es poden determinar les propietats d'esta força, que és la que domina en l'univers. És el test de la força de la gravetat més precís de la història en escales cosmològiques i, una vegada més, la relativitat general ho ha superat amb gran brillantor. Einstein continua tenint raó.

Els neutrins en la formació d'estrucutras còsmiques

Els resultats obtinguts per DESI permeten també obtindre informació sobre els neutrins.

Sabem que hi ha tres tipus diferents de neutrins, i sabem també que són partícules massives. DESI ha permés obtindre informació nova sobre el valor les seues masses. Este és un resultat molt interessant perquè els neutrins són les úniques partícules elementals les masses de les quals no han sigut mesures encara.

La raó és que les masses d'estes partícules són tan xicotetes que els experiments de laboratori actuals no són prou sensibles com per a mesurar-les. No obstant això, com en l'univers hi ha molts neutrins, malgrat tindre massa molt xicoteta afecten la formació d'estructures.

Per ser partícules tan lleugeres, la gravetat actua poc sobre elles, de tal manera que fan més difícil que es formen estructures grans. I és tant més difícil com més xicotetes siguen les seues masses. Tenint tot això en compte, l'estudi detallat que ha fet DESI permet establir un valor màxim a la suma de les masses dels tres tipus de neutrins: 0,071 eV/c² . Com a referència, la massa d'un protó és molt aproximadament 1 000 milions d'eV/c² .

Els experiments de física de partícules han establit una cota inferior per a la suma de les masses: 0,058 eV/c². Per tant, queda una finestra molt xicoteta per als valors possibles de les masses dels neutrins. Segons els resultats de DESI vagen millorant, esta finestra s'anirà estrenyent més i més fins que aconseguim finalment determinar el seu valor.

A més, de la combinació dels resultats de DESI amb altres observacions cosmològiques s'obtenen indicis que desafien al model teòric actual de l'univers, ΛCDM. Les dades combinades de DESI i altres experiments semblen indicar que l'energia fosca podria estar canviant amb el temps, un resultat d'enorme interés que podria ser la primera pista que la teoria actual ha de ser ampliada amb nova física.

Potser estem presenciant els primers passos d'una revolució en la nostra comprensió del cosmos. Romanguen atents.

Eusebio Sánchez Álvaro, cosmologia i física de partícules, Centre d'Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques (CIEMAT)

Este article va ser publicat originalment en The Conversation.