Sergio Mendoza, Instituto de Astronomía, UNAM
Redacción: Mariana Espinosa Aldama
- El trabajo complementa la propuesta no relativista de modificar la Ley de Gravitación Universal de Newton difundida en septiembre de 2010.
- La teoría métrica de la relatividad extendida está planteada para partículas que sufren aceleraciones sumamente bajas sin necesidad de invocar materia oscura.
- Por vez primera se encuentra una manera de determinar la curvatura del espacio por la presencia de masas directamente de observaciones astronómicas a escalas galácticas y mayores.
Esquema que muestra la curvatura del espacio sufrida por la presencia de una galaxia según la teoría de relatividad de Einstein (superficie roja) y la curvatura obtenida con la Gravitación Extendida Relativista de Mendoza (superficie azul) y sus colaboradores. Ambas teorías predicen la misma curvatura y son indistinguibles en las zonas centrales de la galaxia. sin embargo, en las partes externas, la curvatura producida según la gravitación de Einstein (colores rojos) se aplana más fuertemente que la predicha por la gravitación extendida (colores azules).
Los astrofísicos Sergio Mendoza, Tula Bernal y Juan Carlos Hidalgo del Instituto de Astronomía de la Universidad Nacional Autónoma de México, con la colaboración del astrofísico italiano Salvatore Capozziello de la Universidad Federico II de Nápoles elaboraron una teoría métrica relativista que describe el comportamiento de partículas bajo el influjo de fuerzas gravitacionales muy débiles como aquellas sentidas a escalas galácticas.
El trabajo responde a la necesidad de dar una solución relativista a la teoría de gravitación que no requiera de materia oscura, la cual ha sido utilizada por la mayoría de los astrofísicos para intentar explicar múltiples fenómenos galácticos y cosmológicos sin lograr a la fecha resultados enteramente satisfactorios.
El grupo de investigadores ha trabajado por más de un año buscando ampliar la teoría de Gravitación Extendida, dada a conocer a mediados de 2010, que propone una modificación a la Ley de Gravitación Universal de Newton y que explica la dinámica de sistemas estelares y galácticos.
Las partes externas de sistemas muy masivos con extensiones galácticas sienten una fuerza de atracción mayor a la prevista por las teorías de Newton y Einstein. En esas regiones la aceleración sufrida por los cuerpos es menor a la llamada aceleración de Milgrom a0 =1 .2 ×1 0 − 1 0 m / s 2 , la cual se presenta ahora como una nueva constante fundamental de la naturaleza. La Gravitación Extendida toma como base una nueva escala de masa-longitud, la cual es proporcional al cociente de la masa entre el cuadrado de la distancia. Tomando en cuenta estos parámetros, junto con la velocidad de la luz, los científicos han construido una teoría métrica relativista para aquellos objetos que experimentan muy bajas aceleraciones. De tal suerte que la nueva teoría deriva naturalmente en la gravitación extendida newtoniana para partículas que viajan a velocidades sublumínicas y en la gravitación relativista de Einstein para escalas subgalácticas, donde la masa-longitud es grande.
Desde hace más de 30 años, se han venido observando una serie de comportamientos inesperados en múltiples sistemas estelares y galácticos. En general, los movimientos de las estrellas que se encuentran en las afueras de las galaxias y de los cúmulos globulares, así como los de las galaxias pertenecientes a grandes supercúmulos, son mucho mayores a lo predicho por las leyes clásicas de gravedad de Newton y Einstein. De tal manera que la fuerza centrífuga que debieran sentir habría ya dispersado dichos sistemas. Como esto no ha sucedido, se infiere que existe una mayor fuerza gravitacional que los mantiene unidos. A nivel cosmológico también se observan anomalías en las llamadas lentes gravitacionales y la acelerada expansión del Universo. Para explicar estas últimas es que se requiere una nueva teoría relativista.
Tres corrientes de pensamiento han buscado explicar estos fenómenos. La más popular a nivel mundial ha sido inferir la existencia de gran cantidad de materia exótica que no observamos pero que genera tal fuerza gravitatoria. La segunda, conocida como MOND (Modified Newtonian Dynamics) propone modificar la reacción dinámica en la segunda ley de Newton, para sistemas sujetos a bajas aceleraciones. La corriente alterna de Gravitación Extendida propone mantener la definición dada por la segunda ley, y ajustar así la correcta fuerza de gravitación a partir de observaciones astronómicas. Algo que da confianza a los partidarios de la gravitación extendida es que todas las anomalías aparecen justamente cuando los sistemas sufren aceleraciones menores que a0 . Por otro lado, las teorías de materia oscura pierden día con día credibilidad al requerir múltiples ajustes a d h o c para cada tipo de sistema y al no poder ser ésta detectada experimentalmente. Ejemplo de ello son los resultados negativos del super acelerador de partículas LHC ubicado en Ginebra, Suiza.
Con todo esto lo que los científicos mexicanos e italianos han hecho es encontrar cómo se curva el espacio por la presencia de masas directamente de observaciones astronómicas, a diferencia de las aproximaciones puramente teóricas propias de otras teorías gravitacionales como las supercuerdas o la gravitación cuántica. Han pasado ya 95 años desde que Albert Eisntein y el matemático David Hilbert formularon una teoría relativista de cómo el espacio se curvaba debido a la presencia de masas, utilizando observaciones del movimiento de los planetas alrededor del Sol. Hoy, el equipo de Mendoza ha repetido esta notable hazaña utilizando una extensa recopilación de observaciones en diversos ambientes astronómicos.
La teoría métrica de gravitación relativista extendida, como le llaman sus creadores, será publicada próximamente en la revista European Physical Journal C. Los investigadores continuarán trabajando intensamente en completar dicha teoría, así como en determinar las consecuencias astrofísicas y cosmológicas que pueda tener.
"Recovering MOND from extended metric theories of gravity." T. Bernal, S. Capozziello, J.C. Hidalgo, S. Mendoza. 7 pp. Published in Eur.Phys.J. C71 (2011) 1794
http://arxiv.org/abs/1108.5588
Diagrama que muestra el ámbito en el cual se ubican los distintos sistemas estelares y galácticos según el cambio de escala masa-longitud “x” y la velocidad de la luz “c”. Infografía: Mariana Espinosa Aldama.
