NeoFronteras

Cosmología relativista de precisión

Área: Espacio,Física — sábado, 25 de junio de 2016

Dos grupos distintos de investigadores han realizado las primeras simulaciones completas de un Universo inhomogéneo bajo la RG sin restricciones.

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La Relatividad General (RG) proporciona una herramienta muy útil para describir el Universo en su conjunto. Aunque para el tiempo t=0 predice una singularidad, signo de que ahí falla la teoría y que se necesita una teoría cuántica de gravedad, a partir de ese momento funciona bastante bien. De hecho predice que el Universo o bien se expande o bien se contrae, algo que se puede comprobar.

Pero la RG presenta algunas pegas. Cualquier solución analítica (extraída con lápiz y papel) es muy difícil de calcular, por lo que nos tenemos que conformar algunas veces con soluciones numéricas. Además, para poder extraer soluciones analíticas hay que hacer ciertas aproximaciones, como que el Universo es homogéneo e isótropo, algo que ya propuso Lemaître en su día. Esto es algo que se ha venido asumiendo desde hace tiempo. Si dejamos de lado la homogeneidad e isotropía, entonces es imposible hallar soluciones analíticas y las numéricas necesitan de una potencia computacional muy elevada incluso para los supercomputadores.

El problema es que tras el Big Bang se podría considerar que el Universo era homogéneo e isótropo a escala global, pero no a escalas intermedias. De hecho, si el Universo hubiese sido perfectamente homogéneo no habría galaxias, ni estrellas, ni vida, ni nosotros para planearnos estas cosas. Las estructuras a gran escala del Universo, como los cúmulos de galaxias, se formaron porque, tal y como nos dicen los mapas del fondo cósmico de microondas, había zonas con mayor y menor densidad de gas primordial en donde la gravedad puedo operar localmente para formar esas estructuras.

Los cosmólogos han asumido hasta hace poco que un tiempo tras el Big Bang los efectos relativistas se podían despreciar, así que en lugar de usar RG han estado usando Mecánica Newtoniana para tratar de reproducir esas estructuras a gran escala con bastante éxito. Pero siempre queda la duda.

Ahora dos técnicas numéricas nuevas han permitido usar RG en la simulación relativista de un Universo que no es homogéneo. Estas técnicas permiten simplificar los cálculos computacionales y hacen posible el uso de la RG en este contexto. Estos resultados permitirán contrastar mejor las observaciones, que son cada día más precisas, con la teoría.

Según algunos cosmólogos como Sabino Matarrese (Universidad de Padua), la homogeneidad del Universo es una invención filosófica y que esta asunción, motivada por la necesidad de calcular y no poder conseguirlo, puede haber llevado a los astrónomos a malinterpretar los datos, incluso hasta el límite de concluir que hay una energía oscura que, quizás, en realidad, no está ahí.

Según Eloisa Bentivegna (Universidad de Catania), en principio, para un Universo inhomogéneo las galaxias distantes pueden aparecer como si tuvieran una velocidad de recesión acelerada, imitando así el efecto de una energía oscura. Pero no todo el mundo está de acuerdo con esta conclusión.

Ahora, y de forma independiente, Marco Bruni (University of Portsmouth) y Glenn Starkman (Case Western Reserve University), con sus respectivos colaboradores, han realizado las primeras simulaciones completas de un Universo inhomogéneo bajo la RG y sin restricciones, pues en otros intentos previos se asumía una homogeneidad a gran escala. Para ello han usado modelos computacionales que corren en supercomputadores.

En estos casos se tiene en cuenta, por ejemplo, cómo el espacio-tiempo es curvado localmente en las zonas de mayor densidad en donde se forman los cúmulos de galaxias. Aunque no reproducen toda la complejidad de un Universo real, esta aproximación promete ser una revolución en el campo.

En el grupo europeo se ha usado una técnica que pone el énfasis en las estructuras sobredensificadas, mientras que en el norteamericano se concentran en cómo el Universo se expande y cómo su curvatura afecta la propagación de la luz, que, al fin y al cabo, es la que porta la información en la realidad y es lo que se mide.

Lo curioso es que estas simulaciones numéricas se basan en técnicas que fueron desarrolladas en su día para calcular numéricamente la curvatura del espacio alrededor de dos agujeros negros orbitando el uno al otro y emitiendo ondas gravitacionales. Los resultados obtenidos en su día con estas técnicas permitieron identificar los eventos detectados por LIGO recientemente. Según sostienen algunos expertos del campo, quizá se necesiten dos décadas de trabajo para desarrollar todo el potencial de este tipo de técnicas numéricas.

Se cree que se necesita aumentar las predicciones teóricas para poder así interpretar bien las observaciones que proporcionarán las nuevas grandes instalaciones, como las del Square Kilometer Array de Australia y Sudáfrica.

Ambos equipos dicen que en el futuro aumentarán la sofisticación de sus modelos hasta llegar a un detalle que pueda ser comprobado con observaciones reales.

Una de las preguntas que se podrían contestar es sí la formación de regiones de mayor densidad de materia (y la consecuente formación de galaxias) tuvo efectos sobre la expansión general del Universo. Esto parece que es algo que se podrá comprobar en la nueva generación de observatorios, independientemente de que sean necesarios o no estos nuevos modelos.

Algunos cálculos sostienen que el efecto será prácticamente despreciable y el hecho de que la materia se concentre en ciertas regiones no tendrá efecto sobre la expansión general del Universo.

Aunque siempre hay que comprobar experimentalmente todo esto, muchos científicos del campo esperan que al final se mantengan las predicciones del modelo estándar (homogéneo) del Universo y que la energía oscura siga estando todavía ahí, como el dinosaurio del microcuento.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4972

Fuentes y referencias:
Artículo original I.
Artículo original II.
Ilustración: James Mertens/CWRU.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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19 Comentarios

  1. Tomás:

    “Cuando despertó, el dinosaurio estaba todavía allí”. Es decir, en versión Neo-cosmológica: “Cuando experimentaron, la energía oscura seguía allí”.

  2. JavierL:

    Sería muy interesante las repercusiones de que al final la respuesta a la energía oscura estuviera siempre delante de nuestros ojos, en la relatividad y que nuestra concepción de homogeneidad no nos dejara verla.

    Quedaría para siempre en la historia como un ejemplo para la ciencia de no dejar nada por sentado… A fin de reforzar su actitud crítica hacia todas la teorías.

    Por otro lado la singularidad del tiempo cero siempre da la impresión de un problema matemático más que físico… A fin de cuentas se contrae el universo hasta que se vuelve un punto… Pero el mismo concepto de punto es matemático, pero físicamente imposible. Y si partes de un concepto físicamente imposible la teoria tiene todo el derecho de dar singularidades. No veo ningún problema allí y por lo tanto no veo un hueco en la teoría tan grande como para que sea sustituida por otra sino que se resuelva poniendo un límite a esa contracción y explicando hasta donde se puede contraer… Y es que evaluando la naturaleza probabilistica de la mecánica cuántica vs la realidad macro, una misma teoría no puede unir “ambos mundos” y seguro que la gravedad cuántica solo operará en un intervalo de tamaños y la relatividad en otro intervalo.

    Por otro lado entiendo que la gravedad es muy débil comparada con las otras fuerzas que operan a escala cuántica, por lo cual no se ven luces claras a una teoría de gravitación cuántica…

  3. Tomás:

    Me parece muy cierto cuanto dices. Quizá uno de los primeros principios fue el de las paralelas, pero en un espacio curvado por las masas, no pueden existir. En ese sentido, me ha encantado la frase del artículo: “… si el universo hubiese sido perfectamente homogéneo no habría ni estrellas, ni galaxias, ni vida, ni nosotros para plantearnos estas cosas”.
    Son muchas las incógnitas del Big Bang y de su evolución.

  4. JavierL:

    Por otro lado si tuviéramos un universo que se desacelera conforme pasa el tiempo y tomando en cuenta que mientras más lejos vemos más al pasado vemos, y que en el pasado se alejaban más rápido (ya que se desacelera).. entonces en esa condición veríamos que mientras más lejos una galaxia más rapido se aleja. ¿Ese efecto no podría dar cuenta de la energia oscura? ¿en que se diferenciaría?

  5. petrus:

    Como bien anota JavierL, que observemos la luz de las galaxias con corrimiento al rojo se explica actualmente como expansión del vacío cósmico, pero cabría explicarlo como que en el pasado se alejaban más rápidamente, o sea exactamente al revés … cuanto más lejana es la galaxia observada, más deprisa se alejaba entonces , no más deprisa se aleja ahora( de lo que está haciendo ahora hay poca información…) . Eso sería más coherente con la progresiva desaceleración impuesta por el crecimiento de la entropía. ¿O estamos viviendo en una teoría incoherente ?
    SI estuviéramos escuchando las sirenas de varias ambulancias cercanas y otras muy lejanas que sabemos emiten en la misma frecuencia y observáramos que las más alejadas se oyen en frecuencias más bajas, podríamos explicarlo también de dos maneras. 1.- Que la carretera se está expandiendo y alargando continuamente o bien 2.- que las ambulancias lejanas se alejaban más deprisa “cuando” emitieron la señal.
    Cuando afirmamos que el corrimiento al rojo es señal de expansión, atribuimos al tiempo presente , ahora, lo que en realidad ha ocurrido en el pasado remoto.

  6. lluís:

    -La verdad es que no veo nada claro todo esto. Eso de que utilizan Mecánica Newtoniana suena raro a estas alturas. Con Newton tenemos un espacio-tiempo fijo, un marco fijo en el que se desarrollan los sucesos cosmológicos, pero fueron precisamente la Relatividad especial y general las que convirtieron ese marco fijo en dinámico para dar lugar a un espacio y un tiempo que se influyen mútuamente, según sea la distribución de la materia-energía ( un espacio-tiempo dinámico, que se contorsiona alaveándose o curvándose)

    – También parece que el “Principio cosmológico” queda afectado si a grandes escalas, al menos, el universo es inhomogéneo, ¿ y la isotropía? ¿Se mantiene?. ¿Implica esa inhomogeneidad la posiblidad de direcciones privilegiadas?

    – ¿Puede ser que los fotones primordiales tuvieran distintas velocidades, si la curvatura, debida a la mayor o menor densidad de materia, afecta a la propagación de la luz

  7. Tomás:

    ¡Caramba, JavierL y “petrus”!, me habéis hecho reflexionar sobre unas cuestiones que nunca me había planteado porque siendo que la expansión del espacio o la velocidad de alejamiento de las galaxias es proporcional a la distancia, me pregunto si las ondas electromagnéticas emitidas hace tantos millones de años, que han de ser de una muy larga longitud de onda, al atravesar el espacio más cercano y, por tanto, menos “estirado”, no modificarán su longitud de onda y se harán menos rojas. Es decir que habría que tener en cuenta ese factor, si es que se da, lo que me parecería lógico.

  8. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    Contesto a sus preguntas:

    – Casi todas las simulaciones que se han hecho sobre las estructuras a gran escala del Universo han usado mecánica newtoniana. Uno de los primeros ejemplo computación masiva de este tipo es The Milenium Run. Simplemente usar RG es demasiado costoso computacionalmente y aporta poco.

    – A gran escala es Universo es homogéneo e isótropo. Es a pequeña escala cuando no lo es.

    – Distintas velocidades de los fotones va incluso en contra de la Relatividad Especial, aunque se hay propuestas tipo rainbow que tienen eso como consecuencia de una textura del espacio a la escala de Planck.

  9. lluís:

    – De acuerdo, Neo. Pero me sigue pareciendo curioso que se utilice mecánica newtoniana (quizá se utiliza algún aspecto matemático o alguna ecuación, en realidad no he leído los artículos originales, lo haré a continuación)puesto que la gravedad de Newton es como una especie de magia, una acción fantasmal a distancia, puesto que se transmite instatáneamente mientras que la ecuación de campo de Einstein, acaba con esa acción a distancia de Newton, y pone fin a esa instantaneidad.

  10. NeoFronteras:

    No, en este resultado se usa RG. En los anteriores se usaba gravedad newtoniana en la que se tienen en cuenta miles de millones de partículas.

    En estos nuevos resultados bajo RG se tiene en cuenta el efecto de los “grumos” locales de materia. La expansión tiene que se diferente en esas regiones (porque la gravedad tira más) que en los vacíos que hay entre los grumos. Este tipo de efectos locales es lo que se trata de medir y estudiar por si tiene consecuencias y si tiene o no influencia a escala global. Pero si se quiere ir a algo más detallado, o bien se abandona por completo la RG o se introducen aproximaciones newtonianas a escalas pequeñas. Simplemente, el cómputo bajo RG es inmenso, incluso cuando se usan los trucos descritos.

  11. Tomás:

    Muy admirado Neo:
    De pronto, me doy cuenta de que la semipregunta del último párrafo le Lluís de su com.6 tiene bastante que ver con mi com. 7. ¿Podrías decirme algo sobre lo que en él especulo? Para no hacerte trabajar tanto lo resumo: La luz sale con una muy larga longitud de onda de las galaxias muy alejadas, porque la velocidad de alejamiento es muy grande. Esto coincide con que el espacio allí está muy extendido. Esa luz va atravesando espacio hacia nosotros cada vez más compacto y me pregunto si ello no influye en un corrimiento hacia longitudes de onda más cortas. Claro que si lo miramos al revés, también nosotros nos estamos alejando a la misma velocidad que la estrella más lejana se aleja de nosotros.
    Un gran abrazo, mis excusas por la petición y perdón si escribo insensateces.

  12. NeoFronteras:

    Más para LLuís.

    Normalemnte en ese tipo de modelos newtonianos se aproxima a vecinos. Si fuese un cálculo todos con todos sería también incomputable. Digamos que se desprecia la influencia de partículas muy lejanas, aunque se usa un promedio para compensar.

    En esos modelos no se modela todo el Universo visible, sino una porción cúbica de él de tal modo que la velocidad finita de la luz (o de la gravedad) se puede despreciar.

  13. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    La luz no sale corrida hacia el rojo de las galaxias que tengan mucha velocidad de recesión, pues no es Doppler. Tampoco existe el concepto de “velocidad de alejamiento”. Las definiciones y palabras correctas son muy importantes en ciencia.
    La luz sale tal cual (no corrida al rojo) y en su camino hacia el observador, como el espacio se está expandiendo, se alarga su longitud de onda.
    La velocidad de recesión no es un velocidad real en el espacio, sino una medida de cómo el espacio que media entre un objeto y nosotros se expande.

    Por otro lado, la proporcionalidad entre velocidad de recesión y distancia se llama ley de Hubble, cuya constante es la constante de Hubble.

  14. lluís:

    Gracias por tus comentarios 10 y 11, Neo. Ahora la cosa ya me quedó clara.

  15. JavierL:

    Aunque no estaba dirigido a mi muchas gracias por tu 13 neo, me resuelve varias dudas que tenia

  16. Tomás:

    Estimado Neo:
    Tienes mucha razón en lo que dices: hay que emplear las palabras exactas. En efecto, la luz no “sale” ya corrida hacia el rojo, sino que su onda se alarga por la dilatación del espacio; ha sido un error de expresión. Lo de que no es Doppler ya lo conocía hace tiempo, así como la constante y ley de Hubble. Sin embargo muchas veces he leído y oído la “velocidad de recesión”, aunque se debe a esa expansión del espacio. Es decir que, a fin de cuentas toda galaxia se aleja de nosotros. Entonces lo he tomado como una velocidad real; ya sé que no dentro de un espacio, sino que es el espacio el que se expande, pero el resultado es el mismo, así que, aunque la causa sea distinta, al final los objetos se alejan unos de otros a una “velocidad” proporcional a la distancia. Pero me parece muy bien distinguir un concepto de otro. ¿Cómo llamarla entonces en vez de velocidad?
    Mi problema ha sido casar bien todos estos conceptos ya conocidos, y tu comentario me ha ayudado, como casi siempre.
    Un fuerte abrazo y mi agradecimiento.

  17. lluís:

    – De todos modos, tomás, estamos hablando de un desplazamiento al rojo gravitatario, pero de acuerdo con el principio de equivalencia el desplazamiento que se espera en la frecuencia de radiación en un campo gravitatorio es posible relacionarlo con el Desplazamiento Doppler relativista que experimenta una fuente de luz acelerando.
    – Una cordial saludo, amigo.

  18. NeoFronteras:

    Tampoco hay que confundir el corrimiento al rojo cosmológico con el corrimiento gravitatorio. Este se da cuando la luz sale de un objeto muy masivo con un potente campo gravitatorio. Si la velocidad de escape de ese campo es superior a la de la luz entonce entonces tenemos un agujero negro.

  19. Tomás:

    Muy queridos LLuís y Neo:
    Mil gracias por vuestro interés. Creo entender que Lluís se refiere a que, si bien la causa es distinta, el resultado que podemos observar es el mismo o, mejor dicho, de la misma índole: un corrimiento hacia el rojo.
    Un fuerte abrazo a ambos.

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