El movimiento de los cúmulos de galaxias en el Universo distante acaba de realizar la prueba a mayor escala hasta ahora de las leyes de la gravedad.
A través de escalas que abarcan cientos de millones de años luz, la gravedad continúa comportándose como predijo Isaac Newton en su ley universal de gravitación.
Según esta ley, cada partícula del Universo ejerce una fuerza gravitacional sobre otras partículas proporcional a su masa, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los centros de masa de las dos partículas.
La observación de este efecto en cúmulos de galaxias a miles de millones de años luz de distancia fortalece nuestra comprensión actual de la gravedad, y también fortalece los argumentos a favor de la misteriosa fuente teórica de atracción gravitacional inexplicable conocida como materia oscura.
“Es notable que la ley de la inversa de los cuadrados, propuesta por Newton en el siglo XVII y luego incorporada por la teoría de la relatividad general de Einstein, todavía se mantenga firme en el siglo XXI”, dice el cosmólogo Patricio Gallardo de la Universidad de Pensilvania.
Cuando contemplamos el Universo, surge una extraña discrepancia.
Basado en un censo de toda la materia bariónica normal que existe (es decir, la materia de la que está hecho todo lo que podemos ver, incluidas estrellas, galaxias, agujeros negros, planetas, polvo e incluso nosotros) y nuestra comprensión de cómo se comporta esa materia, las cosas no se mueven como deberían.
Las galaxias giran demasiado rápido. La luz que viaja a través del Universo sigue una curvatura gravitacional espacio-temporal demasiado pronunciada para la masa bariónica únicamente.
Los cúmulos de galaxias que deberían separarse están, en cambio, estrechamente unidos. Pequeñas ondas en el fondo cósmico de microondas sólo tienen sentido si la mayor parte de la materia del Universo es invisible.
Hay dos explicaciones principales para estas discrepancias. Uno de ellos es la materia oscura, algo que no podemos detectar directamente y que sólo interactúa con el Universo bariónico a través de la gravedad.
Según las mediciones de los fenómenos antes mencionados, aproximadamente el 85 por ciento de la materia del Universo es oscura.
La otra explicación es que falta algo en nuestras definiciones de gravedad, dadas primero por Newton y luego refinadas por Albert Einstein.
“Ese es el enigma central”, dice Gallardo. “O la gravedad se comporta de manera diferente a escalas muy grandes, o el Universo contiene materia adicional que no podemos ver directamente”.
Una forma de cuestionar estas opciones es buscar nueva evidencia de materia oscura. Otra es comprobar si la gravedad se comporta de forma coherente con las leyes de la física.
Gallardo y sus colegas eligieron lo último, midiendo las velocidades de cúmulos de galaxias distantes en un volumen de espacio entre 5 y 7 mil millones de años luz de distancia.
Esta muestra contiene alrededor de 686.000 galaxias, muchas de las cuales están agrupadas en cúmulos que se mueven gravitacionalmente unas hacia otras.
Para medir las velocidades de estos grupos, los investigadores utilizaron algo llamado efecto cinemático Sunyaev-Zeldovich. La primera luz que fluye libremente a través del Universo está hoy en todas partes a nuestro alrededor: se trata del fondo cósmico de microondas, o CMB.
En su camino hacia nosotros, la luz del CMB a menudo atraviesa las vastas nubes de gas caliente que rodean los cúmulos de galaxias. Si el grupo no se mueve, entonces la luz simplemente viaja en línea recta; pero si el cúmulo se está moviendo, los fotones del CMB dispersan los electrones libres, desplazando ligeramente la señal del CMB.
Al medir la magnitud del cambio, los científicos pueden determinar qué tan rápido viajaba el cúmulo cuando la luz lo atravesaba. Las velocidades a las que dos cúmulos corren uno hacia el otro pueden usarse para investigar las masas involucradas y el comportamiento de las fuerzas gravitacionales en juego.
Si fuera necesaria una modificación de nuestras teorías de la gravedad, las fuerzas gravitacionales serían más fuertes a grandes distancias de las masas involucradas; es decir, se debilitarían más lentamente con la distancia.
En cambio, lo que los investigadores observaron fue que la atracción gravitacional entre los cúmulos se desvanecía rápidamente a mayores distancias, en consonancia con las teorías de Newton y Einstein.
Relacionado: Se descubre una nueva y espectacular cruz de Einstein que deforma el espacio-tiempo
Esto sugiere que la materia oscura es una explicación mejor fundamentada para los extraños efectos gravitacionales observados en todo el Universo que la gravedad modificada, pero aún deja muchas preguntas sin respuesta.
“Este estudio fortalece la evidencia de que el Universo contiene un componente de materia oscura, pero aún no sabemos de qué está hecho ese componente”, afirma Gallardo.
“Con tantas preguntas sin respuesta, la gravedad sigue siendo una de las áreas de investigación más fascinantes. Es un campo naturalmente atractivo”.
La investigación ha sido publicada en Physical Review Letters.