Cantata al Universo: gravedad más allá de Einstein

Imagen Campo Profundo del Hubble

Observaciones llevadas a cabo en los últimos años han puesto de manifiesto que el Universo a gran escala no se comporta como esperaríamos a partir de la teoría de la gravedad de Einstein y nuestro conocimiento sobre las fuentes de materia y energía que habitan en él. De hecho, el desajuste es tan grande que, para poder encontrar un acuerdo razonable entre la teoría y las observaciones, es necesario asumir que cerca del 95% del contenido de materia y energía del Universo son de naturaleza totalmente desconocida. Las estrellas, nubes de gas, y todas las otras formas de materia y radiación que observamos en laboratorio tan solo representarían un 5% de la energía total del Universo.

La teoría de la Relatividad General de Einstein sólo nos dice que una parte de ese 95%, aproximadamente el 27%,  puede formar grumos o acumulaciones, la llamada materia oscura, mientras que el 65% restante, conocido como energía oscura, está distribuido uniformemente por todo el espacio y, además, tiene propiedades gravitatorias repulsivas. Como resultado de esa gran cantidad de energía oscura, la expansión del universo no se frena, si no que se acelera.

La imagen que proporciona la Relatividad General sobre la composición del Universo podría verse dramáticamente alterada si esta teoría no fuera aplicable a las escalas en las que la materia y energía oscuras son necesarias. Desde un punto de vista teórico, existen razones sólidas para creer que la Relatividad General de Einstein debe ser modificada a altas energías (típicamente asociadas a cortas distancias) para poder combinarla satisfactoriamente con el resto de interacciones conocidas, las cuales manifiestan propiedades cuánticas. Por un razonamiento análogo, es legítimo pensar que a grandes escalas (o muy bajas energías) podrían surgir nuevos efectos gravitatorios que alterasen la dinámica cosmológica y galáctica. De esta manera, la necesidad de fuentes de materia y energía oscura podría interpretarse como la manifestación de esa nueva dinámica gravitatoria. Por tanto, es de gran importancia explorar nuevas teorías de gravedad y sus implicaciones para la correcta interpretación de los datos observacionales de los que disponemos.

COST es un programa de la Unión Europea que potencia la colaboración de investigadores, académicos y otros agentes en torno a un reto científico. La acción CA15117 – “Cosmology and Astrophysics Network for Theoretical Advances and Training Actions (CANTATA)” financiada por este programa, permite a investigadores europeos que trabajan en teorías alternativas de gravedad coordinarse y unir sus esfuerzos y conocimientos para alcanzar un fin común. El principal objetivo de esta colaboración es el de encontrar un modelo teórico efectivo capaz de dar cuenta de la fenomenología relacionada con la gravedad cuántica (agujeros negros y el universo primitivo), así como de la fenomenología propia de escalas astrofísicas y cosmológicas en las que desde el prisma de la Relatividad General es necesario invocar fuentes de materia y/o energía oscura.

La primera reunión de CANTATA tuvo lugar en Lisboa los días 14-15 de Noviembre de 2016. En esta reunión, en la que participaron alrededor de 100 investigadores, se presentaron las principales líneas de actuación de los diferentes grupos de trabajo:

- Grupo 1: Gravedad Modificada. Este grupo lleva a cabo estudios de naturaleza teórica sobre diferentes teorías de gravedad teniendo en cuenta tanto el régimen de altas como de bajas energías. Por lo tanto, investiga la viabilidad de estas teorías a diferentes escalas: en el laboratorio, en el sistema solar y a escalas galácticas y cosmológicas. Además, considera la posible compatibilidad de estas teorías con un marco teórico subyacente de gravedad cuántica.

- Grupo 2: Efectos Relativistas. Este grupo tiene como objetivo descubrir efectos relativistas capaces de discriminar entre los efectos producidos por gravedad modificada de aquellos producidos por nuevas fuentes de materia/energía. Llevará a cabo estudios sobre modelos cosmológicos no homogéneos y/o anisótropos,  sobre la determinación de las abundancias de partículas generadas durante el universo primitivo (reliquias), profundizar en el concepto de energía del vacío, existencia de nuevos campos gravitatorios y modos de polarización de ondas gravitacionales.

- Grupo 3:  Discriminadores Observacionales. Es necesario encontrar la manera de distinguir entre modelos de materia/energía oscura y modelos de gravedad modificada, pues no siempre es obvio. Para ello, un paso fundamental es considerar los efectos producidos por pequeñas perturbaciones y su impacto en la formación y evolución de estructuras cósmicas. Los detalles de estos procesos son muy sensibles a las ecuaciones de la teoría, lo que proporciona una vía óptima para confrontar las diferentes teorías con los datos observacionales.

Miembros de la acción Cantata en Lisboa

Además de facilitar la interacción entre investigadores de distintos países, las acciones COST tratan de impulsar la participación de jóvenes científicos y de aliviar las desigualdades de género que afectan negativamente a la representatividad de las mujeres en el ámbito científico. La estructura de la Acción se ha pensado para cumplir con estos objetivos. Así, los grupos de trabajo están dirigidos por un investigador senior y uno más joven, manteniéndose en todos los casos la paridad de géneros.

La representación española en CANTATA es muy significativa, siendo la Dra. Ruth Lazkoz (profesora en la Universidad del País Vasco) la líder de la Acción y la Dra. Prado Martín Moruno (investigadora postdoctoral en la Universidad Complutense de Madrid) la co-líder del Grupo 1. El Dr. Gonzalo J. Olmo (investigador Ramón y Cajal en el IFIC/Universidad de Valencia) y la Dra. Prado Martín Moruno son los dos miembros del Comité Gestor que representan a España en esta Acción. Actualmente participan en ella investigadores de 23 países.

Texto de Gonzalo Olmo con la colaboración de Prado Martín.