El investigador Daniel Grumiller de la Universidad Tecnológica de Viena (Austria) propone un nuevo modelo de gravedad a grandes distancias que trata de conciliar la teoría de la relatividad con las observaciones astronómicas. El estudio, que se publica esta semana en la revista Physical Review Letters, puede ayudar a encontrar algunas de las respuestas que no ofrecen las ecuaciones de Einstein.
Einstein revolucionó nuestra comprensión del universo, pero aún hoy permanecen sin respuesta preguntas importantes en la física gravitacional. Si el movimiento de los planetas alrededor del Sol se puede predecir con gran precisión, la velocidad de las estrellas que dan vueltas alrededor del centro de las galaxias sigue sin poder explicarse de forma satisfactoria. Una de las explicaciones propuestas para este fenómeno es Se ha propuesto la existencia de una "materia oscura" invisible como explicación de este fenómeno.
Ahora, los cálculos del científico Daniel Grumiller, que investiga sobre la teoría de la gravitación en el Instituto de física teórica de la Universidad Tecnológica de Viena (Austria), muestran que una ampliación de la teoría de la relatividad podría contestar a estas preguntas pendientes. Sus ideas se publican en el último número de Physical Review Letters.
¿Podría la gravedad a grandes distancias tener componentes adicionales que aún no se hayan tenido en cuenta? Con el fin de poder dar con aportaciones aún desconocidas a la fuerza de la gravedad, Grumiller ha decidido indagar en los mismos cimientos de la teoría. La primera pregunta que se ha planteado es qué tipo de ecuaciones matemáticas podrían describir la gravedad.
Una de las condiciones es que sólo se pueden incluir expresiones matemáticas específicas en la física de la gravitación que no sean incompatibles con las simetrías del universo o que no contradigan claramente las observaciones físicas que podemos llevar a cabo a diario.
Una fuerza adicional desconocida
Daniel Grumiller ha simplificado la teoría de la gravitación observando en primer lugar los casos de simetría esférica (como el campo gravitacional de un planeta, de una estrella, o de una galaxia más o menos esférica). “Podemos demostrar matemáticamente qué contribuciones corresponden a la fuerza de la gravedad", explica Grumiller.
Algunas de estas contribuciones son bien conocidas: la clásica fuerza newtoniana de la gravedad y las correcciones relativistas de Einstein (reduciéndose ambas a grandes distancias). Asimismo, la constante cosmológica de Einstein, que desempeña un papel en grandes distancias extremas, ocupa un lugar bastante natural en las ecuaciones. Sin embargo, se puede encontrar otra contribución a la gravedad: una fuerza constante, que actúa entre dos objetos, independientemente de su distancia.
Grumiller la denomina "fuerza Rindler", en honor al físico gravitacional vienés Wolfgang Rindler. Esta fuerza es tan pequeña que no se puede observar en los fenómenos diarios. “No contradice la teoría de la relatividad, es más bien una extensión que se ajusta a la perfección en la estructura de la teoría de la relatividad".
En un primer intento de evaluar la magnitud de esta fuerza, Grumiller calculó la velocidad rotacional de las estrellas que orbitan en el centro de una galaxia. Después de todo, la recién descubierta fuerza Rindler debería desempeñar un papel decisivo en las grandes distancias galácticas en las que la clásica fuerza de la gravedad se vuelve muy pequeña. De hecho, se han observado velocidades rotacionales de gran magnitud que las ecuaciones de Grumiller pudieron describir mucho mejor que los cálculos precedentes.
"Se trata de una sólida indicación de que la fuerza Rindler no sólo es posible desde una perspectiva matemática, sino que también está presente en la naturaleza", comenta Grumiller.
El misterio de la nave espacial Pioneer
Siguiendo el mismo método, el investigador centró sus investigaciones en otro de los misterios de la física gravitacional: el efecto Pioneer. Durante años, se pudo observar que las naves espaciales Pioneer 10 y Pioneer 11 se desviaban de las trayectorias en su exploración del espacio exterior según la teoría de la relatividad.
"Las trayectorias observadas se pueden describir de forma correcta si se toma en cuenta una pequeña fuerza adicional, que actúa en la dirección del Sol, como es el caso de la fuerza Rindler", explica Grumiller.
A pesar de este avance, queda mucho por hacer en este proyecto de investigación. El científico apunta: “Resultará muy emocionante poder incluir este modelo simplificado de forma más general en la estructura de la teoría de la relatividad cuatridimensional".
A partir de aquí, Grumiller espera obtener una mayor comprensión de los elementos que respaldan la solidez de la fuerza Rindler, así como un mayor conocimiento de su conexión con la materia oscura. Por el momento, el investigador destaca que su modelo no se posiciona en cuanto a si existe o no la materia oscura.
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Referencia bibliográfica:
Daniel Grumiller. “Model for Gravity at Large Distances”.Physical Review Letters 105: 211303, 17 de noviembre de 2010. Doi: 10.1103/PhysRevLett.105.211303.
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