- El equipo Dark Energy Survey, con participación del IFT, estudia un tipo de supernova que confirma nuestro entendimiento de la relatividad especial de Einstein aplicado a la expansión del universo.
- Estas observaciones confirman que el universo se expande aceleradamente, y el tiempo pasa a un ritmo diferente cuanto más lejos observamos.
Un grupo de científicos de la colaboración internacional DES (Dark Energy Survey), en la que participan investigadores del Instituto de Física Teórica IFT UAM/CSIC, han estudiado un tipo de supernovas que confirman una predicción que se puede extraer de las ecuaciones de Einstein: la dilatación temporal relativista. Esto es, la ralentización del ritmo al que avanza el tiempo para un observador que se mueve más rápido. Este equipo estudia la energía oscura, la misteriosa causante de la expansión acelerada del universo, y han observado esta dilatación temporal debida a la expansión. Así, han confirmado hipótesis ya existentes y han ampliado nuestro entendimiento de cómo observar el universo.
El tiempo en la relatividad especial
Albert Einstein propuso en 1905 su teoría de la relatividad especial. Entre otras cosas, esta teoría describe cómo el paso del tiempo es percibido de forma diferente para distintos observadores, dependiendo de la velocidad a la que se mueven, y del punto de vista. Imaginando dos hermanos gemelos, si uno de ellos viajara al espacio a velocidades cercanas a la de la luz, sus ritmos vitales de tiempo se ralentizarían. Al regresar a la Tierra, sería más joven que su hermano gemelo, por cómo el tiempo ha avanzado distinto para los dos.
Esta no es una idea muy intuitiva: cuanto más rápido nos movemos, más lento pasa el tiempo. Sin embargo, se ha confirmado en múltiples ocasiones con experimentos de partículas en el laboratorio, por el ritmo de desintegración de los muones de los rayos cósmicos y observando satélites en torno a la Tierra. Aun así, la comunidad científica siempre revisa sus propios resultados contrastando con nuevas observaciones, volviendo a asegurarse de que las teorías que asumimos por ciertas continúan explicando correctamente lo que observamos. Y en ocasiones se confirman predicciones que aún no se habían podido confirmar. En este caso, cómo este efecto de dilatación temporal también se puede observar debido a la expansión del universo.
Expansión del universo
Se sabe que nuestro universo está expandiéndose porque al mirar en la distancia, en todas direcciones observamos algo llamado “redshift”, o corrimiento al rojo. La frecuencia de una onda, como la luz, cambia si la fuente se acerca o aleja del observador. En el caso de la luz, si algo se acerca, sufrirá un corrimiento al azul, y si se aleja, al rojo.
Observando el universo, vemos cómo todo se está alejando de nosotros. Pero dado que sabemos que esto no se debe a que estemos en el centro de esta expansión, la conclusión es que el propio universo se está expandiendo, y todos los observadores estén donde estén observarían lo mismo: el resto del universo alejándose.
Pero no sólo eso: la expansión del universo está acelerando. Todo se aleja cada vez más rápido, como impulsado por una fuerza invisible. Pero no se trata de un movimiento propio de las galaxias: es el espacio el que está expandiéndose. Como si fuéramos pasas en un bizcocho al hornearse, las pasas no se mueven, pero se crea espacio entre ellas, se alejan entre sí. No se sabe qué está causando esta aceleración, es uno de los grandes misterios de la cosmología. Al origen de esta aceleración se le llama “energía oscura”. Y como esta energía está acelerando la expansión del universo, la relatividad de Einstein predice que deberíamos observar el fonomeno de la dilatación temporal si observamos el universo más distante, que se aleja más rápidamente.
Esto no es algo fácil de comprobar. Para empezar, tenemos que poder observar estos objetos del universo lejano que podrían sufrir dilatación temporal, así que ha de ser algo muy brillante. Además, necesitaríamos saber exactamente cuánto dura este fenómeno brillante normalmente, para compararlo con lo que observamos y comprobar si ha durado más de lo que debería si estuviera en reposo, por la dilatación temporal.
Supernovas tipo Ia
Las supernovas son un buen candidato para observar esta dilatación temporal. Estas explosivas muertes estelares son muy brillantes, así que podemos observarlas a grandes distancias. En general, el brillo y duración de una supernova depende mucho de la masa inicial de la estrella que explota, excepto en un caso: las supernovas de tipo Ia.
Normalmente, las supernovas surgen a partir de estrellas muy masivas, 8 veces más que el Sol. Cuando ya no tienen más material que fusionar, su núcleo colapsa y provoca la expulsión violenta de las capas exteriores de la estrella. Las estrellas que son menos masivas tienen una evolución mucho más débil, expulsando sus capas exteriores en pulsos suaves, dejando una nebulosa, y donde se situaba la estrella, una enana blanca. Las enanas blancas son restos del núcleo de la anterior estrella, el material que no llegó a fusionar, y son inertes. Brillan poco y se van enfriando cada vez más.
Sin embargo, a veces las enanas blancas no se limitan únicamente a enfriarse. En ocasiones se encuentran orbitando alrededor de otra estrella en lo que se llama un sistema binario. Si están muy cerca, esta segunda estrella puede alimentar a la enana blanca, que atrae su envoltura, adquiriendo más masa. Pero las estrellas normalmente son un equilibrio entre las reacciones termonucleares de fusión y el peso de toda la estrella comprimiéndola. Una enana blanca es inerte, no tiene fusión, por lo que la masa adicional no tiene una fuerza contraria que la equilibre, y una vez se alcanza suficiente masa, habrá tanta presión que la enana blanca volverá a fusionar su material, de forma tan rápida que se produce una explosión de supernova. Éstas se conocen como supernovas de tipo Ia. Lo que tienen de especial estas supernovas es que siempre se hacen inestables cuando llegan a la misma cantidad de masa: 1.44 veces la masa del Sol. Esto se conoce como el límite de Chandrasekhar.
Como tienen un punto de partida común, las supernovas de este tipo siempre tienen la misma luminosidad y la misma duración. Como su duración siempre es la misma, si observamos una supernova tipo Ia en el universo cercano y lejano, deberíamos observar una diferencia en la duración debida a la dilatación temporal relativista, con Δ𝑡obs = Δ𝑡em (1 + 𝑧). Como el universo se expande, el tiempo pasa diferente para las supernovas que se observan más lejos, y serán más lentas, a pesar de que sabemos que deberían durar lo mismo.
Esto es exactamente lo que ha encontrado este grupo de científicos en su artículo.
Observaciones de DES
Estudiando más de 1500 supernovas a diferentes distancias con datos del DES, la observación ha comprobado, nuevamente, las conclusiones de la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein. No sólo ha sido la medida más precisa de esta dilatación temporal cosmológica, sino que es una de las pruebas más directas de la expansión del universo. Estas observaciones ayudan a comprobar una vez más la teoría de Einstein hasta escalas cosmológicas, con una precisión del 0.3%.
Además, esto nos enseña cómo deberíamos buscar fenómenos en el universo más lejano. Si no observamos a distancias demasiado grandes, quizás observemos que una supernova dura el doble de lo que dura si está cerca de nosotros. Pero si buscamos a grandes distancias en el universo más temprano, la dilatación temporal puede suponer una diferencia de meses o incluso años. Muchas veces las supernovas distantes se detectan observando el brillo de una galaxia en dos momentos diferentes del tiempo, y si comparamos y vemos menos luminosidad, significa que una supernova ha sucedido y ha terminado. Pero este descubrimiento de DES nos indica que este tipo de comparación debe entenderse en escalas de años cuando se trata del universo más lejano.
Estas observaciones ponen de manifiesto la utilidad de continuar comprobando nuestras hipótesis, incluso si ya han sido demostradas en otros experimentos. No sólo nos permiten seguir confiando en estas teorías en las que basamos la investigación actual, como es el caso de la relatividad especial. También nos pueden enseñar cosas nuevas sobre nuestro entendimiento del universo y de cómo deberíamos estudiarlo.