Dr. Jorge Luis Cervantes
En el actual siglo hemos sido testigos de descubrimientos sorprendentes acerca del Universo: esa inmensidad de estrellas y galaxias, algunas de las cuales se pueden observar a simple vista como puntitos brillantes en el cielo. Las estrellas son como el Sol, pero las galaxias son colecciones de estrellas de cientos de miles de millones de estrellas. Ahora sabemos que, para entender la dinámica de esas galaxias y cúmulos de galaxias, se necesitan dos elementos claves presentes en el Cosmos: materia oscura y energía oscura. La materia oscura es la responsable de la rotación de las estrellas en las galaxias y también de la formación de estructura a gran escala en el Cosmos a lo largo de su historia. Por otro lado, la energía oscura es la causante de la expansión acelerada del mismo, que vivimos desde hace algunos miles de millones de años hasta la fecha.
Físicos del Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ) han estado estudiando modelos matemáticos que contribuyen a entender estos fenómenos. En especial, estudian la posibilidad de que la teoría que explica la energía oscura pueda, también, modificar las leyes de la gravitación. Es decir, si la teoría de la relatividad general de Einstein es correcta a distancias de millones de años luz o necesita modificarse. Estamos al tanto de que dicha teoría es válida en la Tierra y en las inmediaciones del Sistema Solar, pero ¿seguirá siendo válida a escalas cósmicas? Sabemos a qué velocidad y en qué tiempo cae una manzana en caída libre desde una cierta altura, así como lo calculó el célebre físico Isaac Newton, pero ¿cómo “caen” las galaxias a escalas cósmicas?, ¿cómo se aglutinan y forman estructuras cósmicas?
A fin de realizar dichos estudios, los investigadores del ININ han desarrollado la teoría de perturbaciones para teorías generales de relatividad, incluyendo a la de Einstein y a otras más planteadas por otros científicos del mundo. El doctor Cervantes y colaboradores en el ININ han calculado cómo se dan las aglomeraciones de materia en el cosmos, a través de lo que en física se conoce como espectros de potencia y funciones de correlación (Avilés y Cervantes, 2017). Básicamente, se trata de contar pares de objetos en el Cosmos y calcular su distribución cósmica. Estas cantidades son medidas por los astrónomos y existen diferentes colaboraciones científicas que lo han hecho. Por ejemplo, el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura (el telescopio DESI, por sus siglas en inglés), situado en Kitt Peak, Arizona, generará en los próximos cinco años un censo de alrededor de 35 millones de galaxias y cuásares. Con ellos, los investigadores del ININ, junto con otros colegas internacionales, podrán medir las funciones de correlación de los objetos en el cielo.
La teoría desarrollada por los investigadores, trabajada destacadamente por el doctor Alejandro Avilés, catedrático Conacyt, calcula los detalles de las aglomeraciones de materia si la fuerza de gravedad es modificada a distancias cósmicas, por ende, la caída de las galaxias se ve modificada y, al suceder eso, las posiciones de las galaxias se ven alteradas. Los modelos de gravedad modificada son posibilidades teóricas que los científicos quieren probar en el experimento cósmico de gravitación más grande del Universo, debido a que lo incluye en su totalidad. Al realizar el recuento de galaxias, DESI permitirá que el doctor Cervantes y sus colaboradores prueben la gravitación a escalas cósmicas.
Si bien los telescopios miden galaxias, no es todo lo hay en el Universo, como mencionamos, en las galaxias también hay materia oscura. Si contamos la proporción de materia en todo el Universo (de la materia conocida en la Tierra y que existe en todas las galaxias), ésta representa una quinta parte del total de la materia. El resto es materia oscura. De esta manera, al realizar los estudios teóricos se necesita considerar tanto galaxias como materia oscura. La teoría inicial de los doctores Cervantes y Avilés consideraba sólo la materia oscura (Avilés y Cervantes, 2017), pero recientemente, junto con otros investigadores, entre ellos el doctor Mario Rodríguez del ININ, han desarrollado la teoría que también incorpora galaxias (Avilés et al., 2021), las que al final de cuentas son medidas en los telescopios.
La relación entre la materia oscura y las galaxias es elaborada. En la historia cósmica las aglomeraciones de materia oscura en el Universo fueron atrayendo gravitacionalmente al gas, lo cual fue formando estrellas y galaxias. Después de tiempos cósmicos, en miles de millones de años, la materia oscura y galaxias se ubicaron en lugares comunes, pero el lugar exacto depende de las distancias y los tiempos cósmicos. Y, por tanto, se han aglomerado de manera relacionada, aunque distinta. Así, a la diferencia de las aglomeraciones de ambas se le llama sesgo. La teoría del sesgo galáctico también ha sido estudiada para modelos de gravedad modificada (Avilés et al., 2021).
Dichos modelos ya han sido probados usando simulaciones numéricas del Universo, realizadas en grandes computadoras por colegas de la Universidad de Durham en Inglaterra. Las simulaciones son colecciones de partículas (galaxias) evolucionadas en la historia cósmica, que requieren de meses en realizarse y de cantidades grandes de disco duro de las computadoras. Los modelos del doctor Cervantes y sus colaboradores coinciden con los datos de las simulaciones, por lo que ahora resta probarlos con las mediciones del telescopio DESI, el cual aportará los datos necesarios en un futuro cercano. Si la gravedad es conforme teorizó Albert Einstein o si se tiene que modificar a escalas cósmicas, pronto lo sabremos, ¡el futuro no puede ser más emocionante!
[1] Avilés, A., y Cervantes Cota, J. (2017). Lagrangian perturbation theory for modified gravity.Physical Review D, 96(12). https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevD.96.123526
[2] Avilés, A., Valogiannis, G., Rodriguez Meza, M., Cervantes Cota, J., Li, B. y Bean, R. (2021). Redshift space power spectrum beyond Einstein-de Sitter kernels. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. https://doi.org/10.1088/1475-7516/2021/04/039