NeoFronteras

Se presentan diversas teorías relativas a la idea que tenemos sobre la gravedad.

La alta velocidad de las estrellas y la aparente presencia de materia oscura en las galaxias satélites que orbitan la Vía Láctea desafían, según unos astrofísicos, la ley de la gravitación tradicional.
Pavel Kroupa de la Universidad de Bonn discutió el resultado de la investigación de su equipo el pasado 22 de abril en el congreso de Astronomía celebrado en la Universidad de Hertfordshire.
Junto a otros científicos del campo ha estado estudiando la pequeñas “galaxias enanas” o cúmulos estelares que orbitan nuestra galaxia. Algunos de estos objetos contienen sólo unos pocos miles de estrellas y son muy difíciles de ver debido a su escaso brillo. Los modelos cosmológicos predicen la presencia de cientos de estos compañeros alrededor de la mayoría de las galaxias grandes, pero sólo se han podido observar 30 de estos objetos en la Vía Láctea hasta ahora.
Analizando estos objetos este grupo de astrónomos ha descubierto que la distribución de los mismos no es cómo debería de ser. Hay algo extraño, deberían de estar distribuidos de manera uniforme alrededor de la galaxia, pero no es esto lo que se observa. Los 11 más brillantes descansan más o menos en el mismo plano (el plano galáctico) y orbitan en el mismo sentido (de la misma manera que los planetas de nuestro sistema solar).
Kroupa y otros expertos creen que la única explicación es que estos objetos serían fragmentos que surgirían a partir de colisiones de galaxias primitivas. Pero aquí aparece el problema, el cálculo apunta a que estos objetos no contendrían materia oscura si hubieran sido creados así, y esto contradice otras pruebas. A no ser que haya materia oscura, las estrellas en las galaxias se mueven mucho más rápido que lo que predice la ley de gravitación de Newton.
Según Manuel Metz, del Deutsches Zentrum fuer Luft, la única solución es modificar la ley de la gravitación. Según él si así se hace las observaciones pueden explicarse sin recurrir a la materia oscura. El modelo que estos investigadores proponen implica la presencia de una aceleración débil, siendo por tanto una modificación dinámica de la ley de gravitación de Newton.
Si están en lo cierto sería algo revolucionario, pero es una propuesta, como mínimo, muy arriesgada. Sus resultados se publican en Monthly Notices de la Royal Astronomical Society.

Este grupo de investigadores no es el único que trabaja en una ley de gravitación modificada. A Jose Cembranos de University of Minnesota también le molesta la propuesta de que el 95% del Universo (la materia y energía oscuras) sea de naturaleza desconocido. Generalmente no hace falta conocer la naturaleza de la energía y materia oscura para hacer Cosmología, simplemente se asume su existencia. Pero quizás sea posible modificar la ley de la gravedad para que incorpore una extensión del modelo estándar.
Este investigador ha estado trabajando en un modelo que incluye una teoría de la gravedad einsteniana modificada. La Relatividad General no tiene por qué ser la última palabra y Cembranos propone un modelo denominado gravitación R² que la amplia.
En este modelo se introducen varias correcciones para las altas energías a la métrica (la métrica contiene la esencia geométrica para un espacio-tiempo dado). La teoría es además renormalizable, una propiedad deseable en determinadas teorías físicas y que permite la eliminación de infinitos que normalmente impiden los cálculos.
Este camino es el más simple para modificar la RG según Cembranos. A baja energía es relativamente sencillo hacerlo utilizando una expansión perturbativa, pero a altas energías no lo es. El trabajo de este investigador permite precisamente subir a altas energías. La consecuencia es que introduce un nuevo mediador gravitatorio de spin y masa nula, además del gravitón (spin 2 y masa nula). En suma habría una ampliación del modelo estándar de partículas que tendría más grados de libertad y que también afectaría a la gravitación.
En otros modelos se introducen otras modificaciones de la gravedad, pero se obtienen teorías que suelen ser peores y que explican ciertos fenómenos pero no otros que se observan. De nada sirve una teoría que explique la dinámica de una galaxia si hace malas predicciones para nuestro sistema solar.
Ajustando los parámetros de esta teoría incluso es posible explicar la materia oscura. Lo bueno de la nueva teoría es que no es ni mejor ni peor que la RG, simplemente es un poco más complicada.

Pero la “locura gravitatoria” no se para ahí, Alan Kostelecký, de Indiana University, afirma haber encontrado una violación de la teoría de gravitación universal que podría haber pasado desapercibida durante mucho tiempo.
Desde hace tiempo tenemos el problema de que la RG y la Mecánica Cuántica son más o menos incompatibles, o que ninguna de las dos describe la realidad cuando hay presente grandes cantidades de masa en regiones muy pequeñas. Pero las dos teorías son muy buenas en otros regímenes y explican las observaciones.
Este investigador y su colaborador atacan la simetría Lorentz introduciendo modificaciones y proponen experimentos realistas para comprobarlo que están dentro la sensibilidad tecnológica actual.
La simetría Lorentz es la que está detrás de la Relatividad Especial y nos dice cómo se comportan los objetos al moverse a velocidades relativistas en sistemas de referencia inerciales (cuando no están acelerados). De aquí viene la archifamosa fórmula E=mc². El espacio resultante es un espacio de Minkowski, que no es el que aparece en RG. Sin embargo, cuando tenemos campos gravitatorios débiles, como en nuestro sistema solar, el efecto de la gravedad puede ser entendido teóricamente como una perturbación del espacio-tiempo de Minkowski.
Kostelecký introduce un cuatrivector a_μ que se acoplaría a un campo fermiónico para así violar la simetría Lorentz. Esto, entre otras cosas, modificaría la simetría de rotación.
El efecto de a_μ pasaría casi desapercibido en Minkowski puro o en campos gravitatorios débiles.
El efecto sería un campo que estaría presente en nuestro sistema solar y que provocaría sutiles efectos sobre el spin de las partículas habituales, o que crearía un pequeño desfase sobre estas partículas. Pero lo más interesante es que tendría un efecto sobre la gravedad que hasta ahora no se habría tenido en cuenta y que en algunos casos sería unas 1000 veces más intenso que otros efectos que se han intentado medir con anterioridad.
Gracias a la sensibilidad de la nueva tecnología, se podría poner de manifiesto esta violación Lorentz en cómo percibimos la gravedad en lugar de fijarse en otros efectos más sutiles. Para ello proponen varios tipos de experimentos que incluyen el uso de péndulos de torsión, interferómetro de átomos, etc.
Kostelecký dice que uno de los efectos sería que las manzanas caerían más deprisa o más despacio dependiendo de la estación (dependiendo de la posición del planeta en su órbita). En un lado sería diferente al otro debido a que la simetría rotacional se habría roto. Obviamente el efecto sería minúsculo. Propone realizar experimentos gravitatorios en distintas épocas del año para ver si dan distinto.
Un tipo de partículas u otros “caerían” de manera distinta porque interaccionarían con ese campo de manera distinta. Según él, y metafóricamente, las naranjas caerían a distinta velocidad que las manzanas.
Ya hay gente investigando este tipo de cosas. Eric Adelberger de University of Washington estudia las diferentes maneras en las que un el berilio o el titanio responden a la gravedad, aunque de momento no ha encontrado nada de esto. Quizás fuese mejor usar antimateria y ver si cae de la misma manera que la materia (algo por otra parte propuesto desde hace ya mucho tiempo).
En todo caso merecerá siempre la pena realizar este tipo de experimentos, porque al final siempre dirán algo, tanto positivamente como negativamente y es de agradecer una teoría científica que se falsable (de hecho las demás no son científicas).

Fuentes y referencias:

Royal Astronomical Society (RAS).
Copia artículo original.
Artículo original (resumen).
Artículo original (resumen).
Foto cabecera: “Falling Apple” por Scoobay, vía Flickr.