NeoFronteras

Un modelo permite explicar la expansión acelerada medida a través de las supernovas con unas soluciones de las ecuaciones de Einstein de la Relatividad General sin modificaciones.

A finales de la década de los noventa los astrofísicos se vieron sorprendidos por las medidas de supernovas de tipo Ia. Este tipo de estrellas en explosión constituyen “candelas estándar” de las que se puede saber su brillo intrínseco. Midiendo el brillo observado se puede calcular la distancia a la que se encuentran. Medir distancias es el gran problema de la astrofísica, pues estamos anclados en este planeta, contar con estas supernovas supone una gran ventaja. Además se puede medir el corrimiento al rojo de estos objetos.
Pero el problema vino del análisis de los datos, todo parecía indicar que la expansión del Universo se estaba acelerando. Después del escepticismo general los científicos se han ido convenciendo de que el efecto de las supernovas es real y que la expansión se está acelerando, con lo que el Cosmos será cada vez más diluido hasta que carezca prácticamente de materia.
La explicación que se ha dado habitualmente para este efecto, a falta de otra explicación física mejor, es la existencia de una energía oscura (denominada oscura porque ignoramos su naturaleza y que no hay que confundir con la materia oscura) que rellenaría el Universo y que constituiría el 70% de la masa-energía del mismo. El efecto de la energía oscura sería similar a una gravitación negativa.
Desde entonces se discute sobre la naturaleza de esta energía oscura.
El modelo que hasta el momento explica mejor la naturaleza esta energía es la existencia de una constante cosmológica, que es un añadido a las ecuaciones de Einstein que éste introdujo para forzar la existencia de un Universo no dinámico y que luego dijo que fue la mayor metedura de pata de su vida.
Pero se han propuesto otras explicaciones, algunas de las cuales ya vimos en NeoFronteras. Una de ellas es la modificación de las propias ecuaciones de Einstein con lo que la Relatividad General sólo sería una buena primera aproximación a la gravitación. Otros niegan incluso la existencia de la aceleración del Universo achacando el efecto observado a que el Universo no es del todo homogéneo y que nosotros estaríamos cerca del centro de una región menos densa que el resto. De este modo veríamos el efecto de las supernovas, pero éste sería sólo una ilusión provocada por una situación privilegiada de nuestra galaxia, algo que iría en contra del principio copernicano.
Ahora Blake Temple y Joel Smoller, de University of California en Davis y University of Michigan respectivamente, proponen otra explicación no copernicana.
Parten de la Relatividad General estándar sin modificaciones para reproducir el efecto observado de una aceleración de la expansión del Universo y encuentran una solución a las ecuaciones de Einstein que reproduce el efecto.
Recordemos que las ecuaciones de Einstein son un conjunto de ecuaciones diferenciales muy difíciles de resolver analíticamente. Cuando se encuentra una solución a esas ecuaciones es toda una noticia. La dificultad de resolución se debe a que las ecuaciones están retroalimentadas, cosa que refleja el hecho de que la propia gravedad gravita, pues cualquier forma de energía-materia lo hace.
Para encontrar esta solución parten de la métrica de Fiedmann-Robertson-Walker sobre unas coordenadas de tipo Schwarzchild en un espacio-tiempo con radiación pura (sin materia). Después, a partir de ahí, obtienen soluciones por un método autosimilar. Con ello obtienen una familia de soluciones en las que se introduce un nuevo parámetro “a” que da cuenta de la aceleración de la expansión y que puede ser mayor, menor o igual a 1. Para a>1 el Universo parece acelerar su expansión, para a<1 parece frenar y para a=1 el efecto es neutro. Para los dos primeros casos existe un centro de expansión, pero sería difícil explicar un ajuste para “a” exactamente igual a uno. La aceleración del Universo en sí no existe realmente. Lo observado se debería a una densidad local que sería inferior a la media en la región en la que se encuentra nuestra galaxia.
Consiguen además calcular una expresión con corrección cuadrática del corrimiento al rojo frente a la luminosidad; Es decir, lo que se puede medir con las supernovas. Ajustando el valor de “a” se podría reproducir el efecto de aceleración de la expansión observado en el Universo real.
De todos modos, no todo el trabajo está hecho y todavía queda por perfeccionar el modelo, además del precio a pagar de sacrificar el principio copernicano, pues para observar el efecto deberíamos de estar cerca del centro de las ondas de radiación en expansión. La aceleración anómala se debería al hecho de que estemos mirando hacia afuera en la expansión de estas ondas.
Recordemos que es un modelo de radiación sin materia, que sería aplicable estrictamente a las fases más tempranas del Universo en las que éste estaría dominado por la radiación en lugar de por la materia. Se supone, de todos modos, que el efecto sería extrapolable a épocas posteriores como en la que vivimos ahora.
La ventaja de este modelos es que no hace falta introducir hipótesis ad hoc artificiales como la modificación de las propias ecuaciones de Einstein.

Fuentes y referencias:
Copia del artículo original (en pdf).
Artículo original.
Web de uno de los autores.
Energía oscura en NeoFronteras.
Foto: NASA.