Se necesita una gran cantidad de energía oscura misteriosa para explicar los fenómenos cosmológicos, como la expansión acelerada del Universo, usando la teoría de Einstein. Pero, ¿y si la energía oscura fuera solo una ilusión y la propia relatividad general tuviera que cambiarse? Un nuevo estudio de SISSA, publicado en Cartas de exploración física, propone un nuevo enfoque para responder a esta pregunta. A través de enormes esfuerzos computacionales y matemáticos, los científicos han producido la primera simulación de fusiones de estrellas de neutrones binarias en teorías más allá de la relatividad general que reproducen un comportamiento similar al de la energía oscura a escalas cosmológicas. Esto permite comparar la teoría de Einstein y sus versiones modificadas y, con datos suficientemente precisos, puede resolver el misterio de la energía oscura.

Desde hace unos 100 años, la relatividad general ha tenido mucho éxito en la descripción de la gravedad en una variedad de regímenes, superando todas las pruebas experimentales en la Tierra y en el sistema solar. Sin embargo, para explicar observaciones cosmológicas como la expansión acelerada observada del Universo, necesitamos introducir componentes oscuras, como materia negra y energía oscuraque siguen siendo un misterio.

Enrico Barausse, astrofísico de SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) e investigador principal de la subvención ERC GRAMS (GRAvity from Astrophysical to Microscopic Scales) se pregunta si la oscuridad energía es real o, por el contrario, puede interpretarse como un quiebre en nuestra comprensión de la gravedad. «La existencia de energía oscura podría ser sólo una ilusión», dice, «la expansión acelerada del Universo podría ser causada por cambios aún desconocidos en la relatividad general, una especie de ‘gravedad negra'».

La fusión de estrellas de neutrones proporciona una situación única para probar esta hipótesis porque la gravedad a su alrededor es llevada al extremo. “Las estrellas de neutrones son las estrellas más densas que existen, normalmente de solo 10 kilómetros de radio, pero con una masa entre uno y dos veces la masa de nuestro Sol”, explica el científico. “Esto hace que la gravedad y el espacio-tiempo que los rodea sean extremos, lo que permite una producción abundante de ondas gravitacionales cuando dos de ellos chocan. Podemos usar los datos adquiridos durante tales eventos para estudiar el funcionamiento de la gravedad y probar la capacidad de Einstein. teoría en una nueva ventana.»

En este estudio publicado en Cartas de exploración físicaCientíficos de SISSA, en colaboración con físicos de la Universitat de les Illes Balears de Palma de Mallorca, han producido la primera simulación de fusión binaria estrellas de neutrones en teorías de gravedad modificadas relevantes para la cosmología: «Este tipo de simulaciones es extremadamente difícil», explica Miguel Bezares, primer autor del artículo, «debido a la naturaleza altamente no lineal del problema. Requiere un enorme esfuerzo de computación – meses de operación en supercomputadoras- esto también ha sido posible por el acuerdo entre el consorcio SISSA y CINECA así como por las nuevas formulaciones matemáticas que hemos desarrollado, las cuales han representado grandes obstáculos durante muchos años hasta nuestra primera simulación.

Gracias a estas simulaciones, los investigadores finalmente pueden comparar la relatividad general y la gravedad modificada. «Sorprendentemente, descubrimos que la hipótesis de la ‘gravedad oscura’ es tan buena como relatividad general para explicar los datos adquiridos por los interferómetros LIGO y Virgo durante colisiones pasadas de estrellas de neutrones binarias. De hecho, las diferencias entre las dos teorías en estos sistemas son bastante sutiles, pero pueden ser detectadas por interferómetros gravitacionales de próxima generación, como el Telescopio Einstein en Europa y Cosmic Explorer en los Estados Unidos. Esto abre la emocionante posibilidad de usar ondas gravitacionales para discriminar entre energía oscura y ‘oscuridad’. la gravedad«», concluye Barausse.