Una cantidad enorme 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 sólo una ilusión y tuviera que modificarse la relatividad general? Un nuevo estudio de la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Escuela Superior Internacional de Estudios Avanzados’, SISSA, Italia) y el Instituto de Aplicaciones Computacionales de Código Comunitario (IAC3) de la Universidad de las Islas Baleares, publicado en la revista científica Physical Review Letters, ofrece un enfoque nuevo 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 que superan la relatividad general y que reproducen un comportamiento similar al de la energía oscura en escalas cosmológicas. Esto permite comparar la teoría de Einstein y versiones modificadas y, con datos suficientemente precisos, puede resolver el misterio de la energía oscura.

Desde hace unos 100 años, la relatividad general ha tenido mucho éxito a la hora de describir la gravedad en varios regímenes, ya que ha superado todas las pruebas experimentales en la Tierra y en el sistema solar. Sin embargo, para explicar las observaciones cosmológicas, como la expansión acelerada del Universo que se ha observado, es necesario introducir componentes oscuros, como la materia y la energía oscuras, que siguen siendo un misterio.

Enrico Barausse, astrofísico de la SISSA e investigador principal de la beca del ERC GRAMS (GRavity from Astrophysical to Microscopic Scales), se pregunta si la energía oscura es real o si, por el contrario, puede interpretarse como una ruptura de la comprensión de la gravedad. «La existencia de la energía oscura podría ser sólo una ilusión y la expansión acelerada del Universo podría ser 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 envuelve es llevada al extremo. «Las estrellas de neutrones son las más densas que existen, normalmente de solo 10 kilómetros de radio, pero tienen una masa entre una y dos veces la de nuestro Sol«, explica el científico. «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 colisionan. Podemos utilizar los datos adquiridos durante estos 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 el 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, «debido a la naturaleza altamente no lineal del problema. Requiere un enorme esfuerzo computacional —meses de ejecución en supercomputadores— que fue posible también gracias al acuerdo entre el SISSA y el consorcio CINECA, así como a las nuevas formulaciones matemáticas que desarrollamos. Esto supuso un gran obstáculo durante muchos años hasta nuestra primera simulación«.

Gracias a estas simulaciones, finalmente, los investigadores pueden 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 en 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 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, Ricardo Aguilera Miret, Lotte ter Haar, Marco Crisostomi, Carlos Palenzuela, Enrico Barausse (2022). No Evidencia de Kinetic Screening in Simulations of Merging Binary Neutron Stars en general Relativity. Physical Review Letters, 128 (9). .