Imagen compuesta del cúmulo de galaxias Abell 3376. Crédito de la imagen: rayos X: NASA / CXC / SAO / A. Vikhlinin; ROSAT óptico: Radio DSS: NSF / NRAO / VLA / IUCAA / J.Bagchi.Cada equipo de científicos se aprovechó de las extensas observaciones de Chandra de los cúmulos de galaxias, los objetos más grandes en el Universo unidos por la gravedad. Uno de los resultados socava un modelo de gravedad rival de la Relatividad General, mientras que el otro muestra que la teoría de Einstein funciona en una amplia gama de tiempos y distancias a través del extenso cosmos.
El primer hallazgo debilita significativamente a un competidor de la Relatividad General conocido como "gravedad f (R)".
"Si la Relatividad General fuese el campeón de boxeo de peso pesado, esta otra teoría tiene la esperanza de ser el contendiente advenedizo", dijo Fabian Schmidt, del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, quien dirigió el estudio. "Nuestro trabajo demuestra que sus posibilidades de desplazar al campeón son muy escasas ".
En los últimos años, los físicos han dirigido su atención a las teorías que compiten con la relatividad general como una posible explicación para la expansión acelerada del universo. En la actualidad, la explicación más popular para la aceleración es la llamada constante cosmológica, lo que se puede entender como la energía que existe en el espacio vacío. Esta energía se denomina energía oscura para destacar que no puede detectarse directamente.
En la teoría f (R), la aceleración cósmica no proviene de una forma exótica de energía, sino de una modificación de la fuerza de gravedad. La fuerza modificada también afecta a la velocidad a la que pequeñas mejoras de la materia pueden crecer durante eones de tiempo para convertirse en los masivos cúmulos de galaxias, abriendo la posibilidad de una prueba sensible de la teoría.
Schmidt y sus colegas usaron estimaciones de la masa de 49 cúmulos de galaxias en el universo local de las observaciones de Chandra, en comparación con las predicciones del modelo teórico y los estudios de las supernovas, el fondo cósmico de microondas y la distribución de las galaxias a gran escala.
No encontraron ninguna evidencia de que la gravedad sea diferente de la Relatividad General en escalas más grandes que 130 millones de años luz. Este límite corresponde a una mejora de cien veces el rango de los límites de la fuerza gravitatoria modificada que se pueden establecer sin necesidad de utilizar los datos del cúmulo.
"Esta es la mayor presión puesta antes por una alternativa sobre la Relatividad General en tales distancias a gran escala", dijo Schmidt. "Nuestros resultados muestran que se puede probar la gravedad en escalas cosmológicas, rigurosamente, por medio de observaciones de los cúmulos de galaxias."
La razón de esta notable mejora en las restricciones se pueden remontar a las fuerzas gravitatorias mucho mayores que actúan en los cúmulos, en oposición a la expansión universal de fondo del universo. La técnica del crecimiento del cúmulo también promete ser una buena prueba de otros escenarios de la gravedad modificada, como los modelos motivados por las teorías de dimensiones superiores y la teoría de cuerdas.
Un segundo estudio independiente también refuerza la Relatividad General por las pruebas directas a través de distancias y tiempos cosmológicas. Hasta ahora, la Relatividad General había sido verificada sólo con experimentos de laboratorio a escala del Sistema Solar, dejando la puerta abierta a la posibilidad de que la Relatividad General se quiebre en escalas mucho mayores.
Para investigar esta cuestión, un grupo de la Universidad de Stanford comparó observaciones de Chandra de la rapidez con que los cúmulos de galaxias han crecido con el tiempo contra las predicciones de la Relatividad General. El resultado es casi un completo acuerdo entre la observación y la teoría.
"La teoría de Einstein tiene éxito, esta vez en el cálculo de la cantidad de cúmulos masivos que se han formado en virtud de la atracción de la gravedad en los últimos cinco mil millones de años", dijo David Rapetti del Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología (KIPAC) en la Universidad de Stanford y el SLAC National Accelerator Laboratory, quien dirigió el estudio. "Emocionantes y tranquilizadores, nuestros resultados son la más robusta prueba de consistencia de la Relatividad General llevada a cabo aún a escalas cosmológicas. "
Rapetti y sus colegas basaron sus resultados en una muestra de 238 cúmulos detectados por todo el cielo por el ya desaparecido telescopio de rayos X ROSAT. Estos datos se vieron realzados por mediciones detalladas de las masas para 71 cúmulos distantes utilizando Chandra, y 23 cúmulos relativamente cercanos mediante ROSAT, combinado con estudios de las supernovas, el fondo cósmico de microondas, la distribución de las galaxias y las estimaciones de distancia a los cúmulos de galaxias.
Los cúmulos de galaxias son objetos importantes en la búsqueda para comprender el Universo en su conjunto. Debido a que las observaciones de las masas de los cúmulos de galaxias son directamente sensibles a las propiedades de la gravedad, ellos proporcionan información crucial. Otras técnicas, como las observaciones de supernovas, o la distribución de las galaxias, miden las distancias cósmicas, que dependen sólo de la tasa de expansión del universo. Por el contrario, la técnica de cúmulo utilizada por Rapetti y sus colegas mide, además, la tasa de crecimiento de la estructura cósmica como es conducida por la gravedad.
"La aceleración cósmica representa un gran reto para nuestra modern comprensión de la física", dijo el co-autor de Rapetti Adán Mantz, del Centro Goddard de Vuelo Espacial de la NASA en Maryland. "Las mediciones de aceleración han puesto de relieve lo poco que sabemos acerca de la gravedad a escalas cósmicas, pero ahora estamos empezando a hacer retroceder nuestra ignorancia. "
El trabajo de Fabian Schmidt fue publicado en Physics Review D, Volumen 80 de octubre de 2009 y está co-escrito por Alexey Vikhlinin del Centro Harvard-Smithsoniano para Astrofísica en Cambridge, Massachusetts, y Wayne Hu de la Universidad de Chicago, Illinois. El artículo de David Rapetti fue aceptado recientemente para su publicación en la revista Monthly Notices de la Real Sociedad Astronómica y es co-escrito por Mantz, Steve Allen, de KIPAC en Stanford y Harald Ebeling del Instituto de Astronomía en Hawai.
El Centro de Vuelo Espacial Marshall de la NASA en Huntsville, Alabama, dirige el programa Chandra para la Ciencia Espacial de la NASA en Washington. El Observatorio Astrofísico Smithsoniano controla la ciencia de Chandra y las operaciones de vuelo desde Cambridge, Massachussets.
Se puede encontra más información, incluyendo imágenes y otros contenidos multimedia en: http://chandra.harvard.edu
Este artículo ha sido traducido de:
Einstein's Theory Fights Off Challengers, NASA news.
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