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Artículo publicado por Keith Cooper el 21 de enero de 2016 en physicsworld.com

El marco de trabajo teórico subyacente a las ondas gravitatorias puede que tenga que ser revisado para tener en cuenta a la energía oscura y la aceleración de la expansión del universo. Ésta es la conclusión de investigadores estadounidenses que dicen que aunque las ondas gravitatorias procedentes de fuentes cercanas no se verían afectadas, la próxima generación de detectores tales como Laser Interferometer Space Antenna (LISA) y el Telescopio Einstein – que tienen como objetivo detectar ondas gravitatorias procedentes de miles de millones de años luz de distancia – podrían no ajustarse a la expansión del universo. Aunque tales telescopios detectarían las ondas gravitatorias, la señal detectada de las ondas más lejanas podría ser muy distinta de la que actualmente se espera, dicen los investigadores.

Interferómetro LISA

Detección de ondas gravitatorias por el interferómetro LISA

La energía oscura se explica como un pequeño valor positivo de la constante cosmológica, la cual describe la densidad de energía del espacio. Fue el famoso factor que Albert Einstein descartó en su teoría general de la relatividad, cuando en 1929 se encontró que el universo se expandía. Durante los siguientes 69 años, los teóricos supusieron que la constante cosmológica era igual a cero. Sin embargo, en 1998, se descubrió que la expansión del universo estaba acelerando, dirigida por la misteriosa energía oscura, y la constante cosmológica apareció de nuevo en escena.

Debido a que el valor de la constante cosmológica es muy pequeño (10–52 m2), se había supuesto que tendría un efecto despreciable en las descripciones matemáticas de las ondas gravitatorias. Sin embargo, Abhay Ashtekar y sus colegas del Instituto para Gravitación y el Cosmos de la Universidad Estatal de Pennsylvania, en los Estados Unidos, creen que sería un problema para las actuales teorías de ondas gravitatorias.

Empujones gravitatorios

“Incluso una minúscula constante cosmológica arroja una sombra alargada sobre la teoría de ondas gravitatorias”, señala Ashtekar. Comenta con physicsworld.com que: “La teoría actual, desarrollada hace 50 años por Hermann Bondi, Rainer Sachs y Roger Penrose, hace un uso tan fuerte de la suposición de que la constante cosmológica es cero, que ahora tiene que reconstruirse, empezando desde los cimientos”.

Ashtekar y su equipo ya han empezado este proceso, derivando una nueva generalización para la famoso fórmula del cuadripolo de Einstein, la cual describe la tasa a la que las ondas gravitatorias transportan energía desde un sistema que implica dos o más objetos masivos, tales como un agujero negro binario. La fusión de dos agujeros negros en uno puede dar al agujero negro combinado un “empujón” en una dirección – el trabajo del equipo en la modificación de la fomula del cuadripolo describe una versión más precisa de estos empujones.

Sin embargo, reconstruir todo el marco de trabajo teórico de las ondas gravitatorias desarrollado por Bondi, Sachs y Penrose en la década de 1960 es un desafío mucho mayor. “Para una constante cosmológica mayor que cero, aún no sabemos qué significan las ondas gravitatorias en la relatividad general, ni tenemos expresiones para la energía y momento angular que transportan”, señala Ashtekar.

Aumenta con la distancia

De acuerdo con el trío de investigadores, el efecto de la constante cosmológica es acumulativo – cuanto más lejano se encuentre el objeto que emite ondas gravitatorias, más espacio expandido habrán tenido que cruzar las ondas para llegar hasta nosotros y, por tanto, mayor será el efecto de la constante cosmológica sobre ellas.

La actual generación de detectores terrestres, tales como Advanced LIGO, sólo pueden detectar ondas gravitatorias procedentes de objetos a unos 800 millones de años luz de distancia – de acuerdo con Ashtekar, esta no es una distancia suficientemente grande como para que la constante cosmológica tenga un efecto apreciable. Sin embargo, LISA y el Telescopio Einstein deberían poder detectar ondas gravitatorias procedentes del otro extremo del universo visible, y los modelos matemáticos para estas señales tendrán que revisarse.

“Estoy intrigado por la afirmación de que podría haber algunas consecuencias medibles para fuentes de longitudes de onda muy larga y lejanas que podrían ser estudiadas por detectores futuros”, apunta Martin Hendry, de la Universidad de Glasgow, que no estuvo implicado en el estudio. Está de acuerdo con la conclusión del equipo sobre que los detectores actuales que buscan fuentes cercanas no se verían afectados por la constante cosmológica.

Mirando al futuro

B S Sathyaprakash, de la Universidad de Cardiff y que tampoco estuvo implicado en el estudio, sugiere que “las señales de ondas gravitatorias que detectemos procedentes de distancias cosmológicas podrían transportar la firma de la energía oscura”, y podría usarse para estudiarla. “Será muy interesante ver cómo se modifican las señales mediante la inclusión de las correcciones predichas por el trabajo [de Ashtekar], y esto es lo que pensamos hacer en los próximos años”.

LISA, el Telescopio Einstein, y otros similares no estarán en funcionamiento antes de la década de 2030, dando a los teóricos la oportunidad de recalcular sus ecuaciones. Ashtekar dice que “ahora está clara que la razón por la que el problema ha permanecido sin solución tanto tiempo es que la inclusión de una constante cosmológica, aunque una pequeña, requiere un profundo cambio en la estructura conceptual básica y las técnicas matemáticas que se necesitan para describir las ondas gravitatorias en la relatividad general”.

La investigación se publicará en la revista Physical Review Letters. Hay un borrador disponible en el servidor de arXiv.

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