La teoría de los camaleones resulta tan desconcertante como intrigante. Intenta demostrar que la teoría de la relatividad no es la única forma de explicar cómo funciona la gravedad. Lo hace sin invalidar a Einstein y podría darnos respuestas a algunos misterios…

La extraña idea de la teoría de los camaleones

Un grupo de investigadores ha demostrado, por medio de simulaciones por ordenador, que la teoría de la relatividad de Einstein no es la única forma de explicar cómo funciona la gravedad. Por extensión, no es el único mecanismo para explicar cómo se forman las galaxias. Para llegar a esta conclusión, han simulado el universo con un modelo alternativo de gravedad, al que llaman gravedad-f(R). Esta teoría de los camaleones resulta tan misteriosa como, por qué no decirlo así, extravagante. Porque plantea una idea muy alejada de lo habitual.

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El campo ultraprofundo extremo de Hubble, publicado en 2012. Crédito: NASA, ESA, R. Ellis (Caltech), and the HUDF 2012 Team

En las simulaciones de los investigadores, han logrado reproducir galaxias, como la Vía Láctea, a pesar de tratarse de un universo con una ley de la gravedad diferente al que conocemos. Esto apunta a que la teoría de los camaleones debería ser válida. Pero es extravagante porque plantea que su comportamiento cambia en función del entorno en el que se encuentre. Y eso no es lo habitual. El universo nos ha enseñado que las leyes de la naturaleza funcionan exactamente igual en cualquier punto del cosmos. Algo que no se cumpliría en este caso.

Así que nos encontramos ante una alternativa a la teoría de la relatividad. Lo más interesante es que, a diferencia de otras propuestas, aquí no se parte de la base de que Albert Einstein estuviese equivocado. Ni mucho menos, la teoría se presenta como un complemento a lo que ya conocemos. Una alternativa para explicar, por ejemplo, cómo se formaron las estructuras más grandes del universo. De paso, también podría ayudar a comprender mejor la energía oscura. La responsable de que la expansión del universo esté en constante aceleración.

Poniendo a prueba la teoría de los camaleones

Uno de los grandes logros de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein, a principios del siglo XX, fue explicar el extraño comportamiento de la órbita de Mercurio. Su movimiento no encajaba con lo descrito por la gravedad de Newton. El genial físico alemán comprendió que era consecuencia del efecto de la gravedad producida por grandes objetos. Dicho de otro modo, el Sol deforma el espacio-tiempo alrededor de Mercurio y provoca su comportamiento. Es una explicación tan elegante como profunda.

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Mercurio visto por la sonda Messenger en 2008. Crédito: NASA

Curiosamente, ya se sabía que la teoría de los camaleones también es capaz de replicar este mismo resultado en el Sistema Solar. Pero lo que han demostrado estos físicos, ahora, es que también puede permitir que se formen galaxias que serían muy similares a la Vía Láctea. Y, a gran escala, su planteamiento es diferente a la teoría de la relatividad. Porque, mientras esta última plantea que la gravedad no cambia, la teoría de los camaleones nos dice que sí. Eso permite probar cómo se formarían las galaxias con diferentes tipos de gravedad.

El concepto puede resultar un tanto confuso. A escalas pequeñas, como la de Mercurio afectado por la gravedad del Sol, el comportamiento parece ser idéntico o muy similar al de la teoría de la relatividad. A gran escala, sin embargo, si observamos el universo en su conjunto, lo que plantea esta hipótesis es que la gravedad podría funcionar de una forma diferente. Permitiendo explicar cómo se formarían galaxias como la Vía Láctea (o muchas otras). La implicación del resultado resulta muy intrigante. Las galaxias se seguirían formando incluso con otra gravedad.

La formación de galaxias bajo condiciones diferentes

Las simulaciones han mostrado que, incluso si la gravedad fuese diferente, seguiríamos obteniendo galaxias en forma de disco, con sus brazos espirales y su estructura bien definida. Pero, lejos de indicar que la relatividad de Einstein es incorrecta, los investigadores insisten en que lo que hace es mostrar que no es la única herramienta para explicar cómo afecta la gravedad a la evolución del cosmos. No solo eso, también han aplicado la teoría de los camaleones a los agujeros negros supermasivos, que están en el centro de las galaxias grandes.

Incluso con una gravedad diferente, la teoría de los camaleones muestra que la formación de galaxias es posible.
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Simulación por ordenador de la formación de una galaxia espiral, vista desde arriba y de frente, siguiendo la teoría de los camaleones. Crédito: Christian Arnold/Baojiu Li/Durham University.

Estas bestias cósmicas, con millones de veces la masa del Sol (e incluso más), son un componente clave para permitir la formación de galaxias. La energía y material que expulsan al absorber materia (no toda cae al interior del agujero negro) puede eliminar el gas necesario para la formación de estrellas. Es decir, detiene por completo el proceso de formación de estrellas. La cantidad de energía emitida se puede ver alterada por una gravedad diferente. Algo que, a su vez, debería provocar que la formación de galaxias sea diferente.

Pero las simulaciones muestran que, incluso en este escenario, las galaxias se siguen formando sin grandes dificultades. Hay otro punto en el que la teoría de los camaleones puede resultar muy útil. La teoría de la relatividad también nos acerca a la aceleración de la expansión del universo. El responsable de esa aceleración es la energía oscura. Los investigadores creen que su hallazgo podría ayudar a explicar cuáles son las propiedades de esa energía oscura. Sería un gran avance para entender una sustancia que, por ahora, nos es completamente desconocida.

Las partículas camaleón como energía oscura

En la relatividad general, la aceleración de la expansión del universo se describe como una constante. Su densidad se mantiene a través del espacio y el tiempo. La teoría de los camaleones, sin embargo, no precisa de ninguna constante cosmológica para explicar esa aceleración. Simplemente modifica la ley de la gravedad a grandes escalas. Algo que, al conocer tan poco sobre la energía oscura, no puede considerarse como una aproximación incorrecta. Podría ser que, en realidad, sea eso lo que suceda a gran escala.

La teoría de los camaleones podría cambiar la gravedad
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Simulación por ordenador de la formación de una galaxia espiral dentro de la teoría de los camaleones. Crédito: Christian Arnold/Baojiu Li/Durham University.

De hecho, la partícula camaleón, la responsable de esta teoría, podría ser una candidata a ser la partícula de la energía oscura. Tendría un comportamiento variable, teniendo menos masa en el espacio intergaláctico, pero siendo más masiva cerca de un gran campo gravitatorio, como el de una estrella o un agujero negro. Pero, por ahora, no se ha logrado demostrar que esta partícula exista. Los investigadores esperan poder poner a prueba sus hallazgos con el telescopio Square Kilometre Array que entrará en funcionamiento en 2020.

Ubicado en Australia y Sudáfrica, será el radiotelescopio más grande del mundo. Entre sus diferentes objetivos estará el de, una vez más, poner a prueba la teoría de la relatividad general. Así como intentar determinar cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias tras el Big Bang. También podría ayudar a comprender cuáles son las propiedades de la energía oscura. En el camino, quizá descubramos que la teoría de los camaleones es válida. O puede que no, pero siempre es interesante ver nuevos planteamientos para seguir explicando el cosmos…

Estudio

El estudio es C. Arnold, M. Leo y B. Li; «Realistic simulations of galaxy formation in f(R) modified gravity». Publicado en la revista Nature Astronomy el 8 de julio de 2019. Puede ser consultado en este enlace.

Referencias: Phys