La relatividad de Einstein se confirma a escala galáctica

A principios del siglo pasado, un hombre imaginó que una persona viajaba por el espacio metida en un ascensor. También pensó en escarabajos ciegos que recorrían superficies curvas. Era Albert Einstein y esos experimentos mentales le ayudaron a formular la teoría general de la relatividad sin recurrir a telescopios que eran inimaginables en su época.

Más de un siglo después, dos de esos instrumentos —el telescopio espacial Hubble y el Telescopio Muy Grande, en Chile— han permitido realizar la comprobación de la teoría de la relatividad general más precisa que se ha hecho fuera del Sistema Solar.

Einstein recurría a experimentos imaginarios para explicar cómo la fuerza de gravedad que genera una estrella curva el espacio y el tiempo a su alrededor, de forma que los escarabajos ciegos —y los fotones de la luz— creen ir en línea recta, pero en realidad siguen un camino curvo.

En 1912 el físico garabateó en su cuaderno unas ecuaciones que describían una de las consecuencias de la teoría general de la relatividad que publicaría tres años después. Los cálculos explicaban que las estrellas pueden actuar como lentes que amplifican la imagen de otras estrellas mucho más lejanas que hay justo detrás. Cuanta más masa tienen, más curvan el espacio y más clara es la imagen, que suele tener forma de anillo.

Un equipo internacional de astrónomos se ha centrado en ESO325-G004, que está a 450 millones de años luz de la Tierra y es una de las lentes gravitacionales más cercanas. La galaxia ha ofrecido una oportunidad única para poner a prueba la teoría de Einstein a escala galáctica, es decir, en un rango de distancias de unos 6.000 años luz ( 56.000 billones de kilómetros). Esta galaxia hace de lente para otra que está detrás, a más de 10.000 millones de años luz.

Los astrónomos han calculado la masa total de la galaxia en primer plano en función de la velocidad de rotación de sus estrellas, algo que hasta ahora no había sido posible con otras 200 lentes gravitacionales conocidas porque están mucho más lejos. Después se ha calculado el tipo de anillo de Einstein que debería formarse en base a la relatividad general. El resultado, publicado hoy en Science, aporta el valor de la constante γ que expresa la curvatura del espacio-tiempo en función de la masa de un cuerpo. Los resultados del estudio arrojan un valor de 0,97 con un margen de error de 0,09 arriba o abajo, consistente con el valor de 1 que le asigna la relatividad general.

“La razón por la que no hemos obtenido un 1 exacto es que la distancia a la que está esta galaxia resta algo de exactitud a nuestras observaciones, pero es sin duda la comprobación de la relatividad más precisa que se ha realizado fuera de nuestro Sistema Solar”, explica Thomas Collett, cosmólogo de la Universidad de Portsmouth (Reino Unido) y primer autor del estudio. “Es muy interesante que la teoría general de la relatividad, que se formuló en base al movimiento de planetas del Sistema Solar, describa a la perfección el comportamiento del universo a escalas mucho mayores, aunque hay que reconocer que Einstein, de alguna manera, también se equivocó, pues no imaginó que las galaxias también pueden funcionar como lentes gravitacionales”, resalta Collett.

“Es un estudio muy sólido y con repercusiones grandes”, opina Gonzalo Olmo, investigador del Instituto de Física Corpuscular de Valencia. “Esta medida de la relatividad es muy precisa a escalas intermedias, entre el ámbito reducido que es nuestro Sistema Solar y las grandes distancias cosmológicas. Es importante porque permite descartar teorías alternativas de la gravedad que aportan valores de γ distintos a 1”, resalta.

"De alguna manera Einstein también se equivocó, pues no imaginó que las galaxias también funcionan como lentes gravitacionales"

Algunas de esas teorías intentan explicar el universo sin materia oscura y energía oscura, dos componentes que constituyen el 30% y el 65% del universo, respectivamente, y que son imprescindibles para que la relatividad sea correcta a escalas galácticas y cosmológicas. Aunque no se conoce de qué están hechos ninguno de los dos componentes, sí se han comprobado sus efectos en la rotación de las estrellas, las galaxias y la estructura del universo observable. En cambio, ninguna de las teorías alternativas se han confirmado.

La energía oscura tiene un papel fundamental porque explica por qué el universo se está expandiendo de forma acelerada, al contrario de lo que cabría esperar por el efecto de la gravedad, algo que se descubrió en 1998 y mereció el Nobel de Física en 2011 a los autores del hallazgo. Ahora, el objetivo del equipo de Collett es hacer comprobaciones de la relatividad a escalas mayores, pero con la misma precisión que la actual.“ Si confirmamos la relatividad a escalas de todo el universo con esta precisión será la demostración definitiva de que la energía oscura está ahí, aunque aún no sepamos lo que es”, resalta.