Equipos de investigación de ambos lados del Atlántico han demostrado que un modelado preciso del universo y su contenido va a cambiar el conocimiento detallado de la evolución del universo y el crecimiento de su estructura, como apuntan en dos artículos sobre su trabajo.
Cien años después de que Einstein introdujo la relatividad general, sigue siendo la mejor teoría de la gravedad, según los investigadores, pasando constantemente pruebas de alta precisión en el sistema solar y prediciendo con éxito nuevos fenómenos, como las ondas gravitacionales, que fueron recientemente descubiertas por el Observatorio de Ondas Gravitacionales con Interferómetro Láser.
Las ecuaciones de la relatividad general, por desgracia, son muy difíciles de resolver. Durante el último siglo, los físicos han utilizado una variedad de supuestos y simplificaciones con el fin de aplicar la teoría de Einstein del universo.
En la Tierra, es algo así como un promedio de la música hecha por una sinfonía. La audiencia podría oír una sola nota media, manteniendo el ritmo global, creciendo cada vez más fuerte y más suave en general, en lugar de las notas individuales y cada uno de los ritmos de los instrumentos de la orquesta.
En la búsqueda de más detalles y sus efectos, un equipo estadounidense y otro europeo escribieron códigos informáticos que eventualmente conducirán a modelos lo más precisos posible del universo y proporcionarán nuevos conocimientos sobre la gravedad y sus efectos.
Aunque las simulaciones del universo y las estructuras dentro de ella han sido tema de descubrimientos científicos durante décadas, estos códigos han hecho algunas simplificaciones o suposiciones. Estos dos códigos son los primeros en utilizar la teoría completa de la relatividad general de Einstein para tener en cuenta los efectos de la formación de grupos de materia en algunas regiones y la escasez de la materia en otras.
MODELOS MÁS EXACTOS DE LOS PROCESOS FÍSICOS
Ambos grupos de físicos estaban tratando de responder a la pregunta de si las estructuras de pequeña escala en el universo producen efectos en escalas de distancia más grandes. Ambos lo confirmaron, aunque ninguno de ellos ha encontrado cambios cualitativos en la expansión del universo, como algunos científicos han predicho.
"Tanto nosotros como el otro grupo examinamos el universo utilizando la teoría completa de la relatividad general y, por lo tanto, hemos sido capaces de crear modelos más exactos de los procesos físicos que los que se han hecho antes", afirma James Mertens, estudiante de Doctorado de Física en la 'Case Western Reserve University', en Cleveland, Ohio, Estados Unidos, que se puso por delante en el desarrollo y la aplicación de técnicas numéricas para el equipo de Estados Unidos.
Artículos sobre los trabajos de ambos equipos se publican de manera consecutiva en la edición de este viernes de 'Physical Review Letters' y el grupo de Estados Unidos tiene un segundo documento más detallado que se publicará el mismo día. Los investigadores dicen que los ordenadores que utilizan todo el poder de la relatividad general son la clave para producir resultados más precisos y comprensión quizá nueva o más profunda.
"Nadie ha modelado toda la complejidad del problema antes --afirma uno de los autores del trabajo estadounidense, Glenn Starkman, profesor de Física y director del Instituto para la Ciencia de los Orígenes de la Case Western Reserve--. Estos documentos son un paso importante hacia adelante, utilizando la maquinaria completa de la relatividad general para modelar el universo, sin suposiciones injustificadas de simetría o uniformidad. El universo no tiene estos supuestos, por lo que no deberíamos suponerlos".
Ambos grupos crearon de forma independiente software para resolver las ecuaciones de campo de Einstein, que describen las interrelaciones complejas entre el contenido del universo y la curvatura del espacio y el tiempo, en miles de millones de lugares y momentos sobre la historia del universo. Al comparar los resultados de estas simulaciones numéricas de la dinámica no lineal correcta con los resultados de los modelos tradicionales lineales simplificados, los investigadores encontraron que las aproximaciones se descomponen.
La doctora Eloisa Bentivegna, investigadora principal del trabajo europeo y miembro de la Universidad de Catania, en Italia, explica que sus aplicaciones preliminares de la relatividad numérica han demostrado cómo y la cantidad de aproximaciones pierden respuestas correctas. "Esto nos permitirá comprender una clase más amplia de efectos de observación que puedan surgir a medida que hacemos cosmología de precisión", afirma.
"De hecho, existen varios aspectos de la formación de la estructura a gran escala (y sus consecuencias sobre, por ejemplo, el fondo cósmico de microondas) que exigen un enfoque relativista totalmente general", añade Sabino Matarrese, profesor de Física y Astronomía en la Universidad de Padua, en Italia, quien no estuvo involucrado en los estudios. Este enfoque también proporcionará exactitud y perspicacia a cosas como mapas de lente gravitacional y el estudio de la correlación cruzada entre los diferentes conjuntos de datos cosmológicos, agrega.
El equipo europeo encontró que las perturbaciones llegaron a un "punto de inflexión" y se colapsaron mucho antes de lo predicho por los modelos aproximados. Comparando su modelo con la expansión homogénea comúnmente asumida del universo, las desviaciones locales en baja densidad (una región con menos de la cantidad media de materia) alcanzó casi el 30 por ciento.
El equipo de Estados Unidos encontró que la materia no homogénea genera diferencias locales en la tasa de expansión de un universo en evolución, desviándose del comportamiento de una aproximación ampliamente utilizada para el comportamiento del espacio y del tiempo, llamada métrica Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.
