Los investigadores han usado información contenida en las ondas gravitacionales. En la imagen, una representación de un agujero negro, una de las posibles fuentes de estas ondas en ciertas circunstancias 

Nuestro mundo cotidiano está hecho de tres dimensiones espaciales. La Teoría General de la Relatividad de Einstein trata el tiempo como una cuarta dimensión, y crea con ella un «tejido», el espacio-tiempo, con el que definir los fenómenos que ocurren en el «mundo» de las estrellas y las galaxias. Dentro de este marco, ampliamente demostrado por cada vez más observaciones científicas, la gravedad es una consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo en respuesta a la presencia de una masa.

Sin embargo, lo cierto es que hay misterios en el Universo que la Relatividad de Einstein no puede explicar, de momento. Uno de los más relevantes es el de por qué la expansión del Universo está acelerando, como si a medida que los grupos de galaxias se alejan unos de otros, una «fuerza» cada vez más intensa los repeliera más y más. Algunos designan a esta misteriosa «fuerza» como energía oscura.

Como se sabe poco sobre la naturaleza y el origen de esta forma de energía, existen diversas hipótesis para intentar explicarla y poder dirigir las observaciones y los experimentos que haremos en el futuro. Entre todas ellas, algunas predicen la existencia en el Universo de dimensiones extra, aparte de las cuatro que definen el espacio-tiempo. Desde luego, estas dimensiones no pueden percibirse cuando entramos en un frutería, pero puede ser que estén presentes en la escala de las galaxias. Su existencia justificaría por qué algunas fórmulas matemáticas explican mejor ciertos rasgos del Universo cuando, en efecto, se introducen dimensiones adicionales.

Sin embargo, un estudio publicado este verano en «Journal of Cosmology and Astroparticle Physics», y elaborado por investigadores de la Universidad de Princeton (EE.UU.), ha descartado que existan estas dimensiones extra en un radio de 80 millones de años luz, siempre y cuando estas dimensiones adicionales sean «grandes», de al menos 1,6 kilómetros de extensión. De hecho, la investigación no ha descartado que existan dimensiones extra «pequeñas», incluso dentro de ese margen de distancia.

«La Relatividad General dice que la gravedad debería funcionar en tres dimensiones –más la cuarta dimensión del tiempo– y esto es precisamente lo que vemos en nuestros resultados», ha dicho en LiveScience.com Kris Pardo, primer autor del estudio. Esto implica que el Universo «próximo», está constituido por las familiares cuatro dimensiones predichas por la Relatividad, al menos a gran escala.

Los límites de la Relatividad

La Relatividad ha superado todas las pruebas a las que ha sido sometida. Sus correcciones permiten que los GPS sean precisos, y se pueden observar sus efectos cuando grandes masas, como estrellas o estrellas de neutrones, curvan el espacio-tiempo y generan el efecto de lente gravitacional. A causa de este, los objetos que están detrás de estas masas cambian su posición aparente, de forma similar a lo que ocurre cuando hacemos pasar una lupa por un texto y vemos cómo las letras se mueven a medida que movemos la lente.

A pesar de que la Relatividad está muy bien apuntalada, al menos hasta que no se demuestre lo contrario, no puede explicar ese problema de la expansión acelerada del Universo. Por tanto, se han propuesto diversas ideas para explicar la energía oscura, esa misteriosa y descomunal fuerza repulsiva que separa los grupos de galaxias. Algunos han dicho que el problema puede ser que la gravedad, que mantiene unido el Sistema Solar, funciona de forma radicalmente distinta en las mayores escalas. Otros han sugerido que, también en estas escalas, puede ser la existencia de dimensiones adicionales la que explique estos misterios.

Lo interesante, tal como han mostrado los autores de este estudio, es que se puede tratar de comprobar de forma experimental parte de estos escenarios. Dichos experimentos se basan en las ondas gravitacionales.

Escuchar ondas gravitacionales

Las ondas gravitacionales son un efecto predicho por la Relatividad de Einstein. Son unas perturbaciones del espacio-tiempo que recorren el Universo a la velocidad de la luz y que se originan cuando objetos muy masivos se mueven a altas velocidades. Al igual que al tirar una piedra a un estanque se generan ondas que se expanden por la superficie del agua, las masas también generan ondas que perturban el espacio-tiempo a medida que se mueven. De hecho, pueden atravesar incluso el planeta Tierra, y contraerlo y dilatarlo de forma muy sutil y efímera.

Simulación por ordenador de la fusión de dos agujeros negros y de ondas gravitacionales liberadas
Simulación por ordenador de la fusión de dos agujeros negros y de ondas gravitacionales liberadas

Las teorías que explican la expansión acelerada del Universo proponiendo la existencia de dimensiones adicionales, predicen que parte de la energía de las ondas gravitacionales debe dispersarse en dichas dimensiones extra, como si fueran un grito perdiéndose en un pasillo recorrido por puertas abiertas. Por tanto, si se logra medir la energía de las ondas gravitacionales, y estas teorías son ciertas, se debería observar cómo parte de su energía se disipa.

Y esto es precisamente lo que ha descartado la investigación dirigida por Kris Pardo: no se ha observado ninguna pérdida de energía en las ondas gravitacionales capaz de justificar la existencia de dimensiones extra.

La histórica fusión de dos estrellas de neutrones

¿Cómo lo han hecho? Pardo y sus colegas han analizado las ondas gravitacionales observadas en octubre del año pasado cuando, por primera vez en la historia, se detectó un evento de fusión de estrellas de neutrones (que recibió el nombre de GW170817), y ocurrido a 130 millones de años luz. Dos cuerpos extremadamente densos y magnetizados, que giraban el uno frente al otro a una velocidad que era una fracción de la velocidad de la luz, se fusionaron, creando un auténtico «tsunami» de ondas gravitacionales y una kilonova, un destello inmenso de rayos gamma y radiación electromagnética de otras longitudes de onda.

Por entonces, pasó algo que nunca había ocurrido: observatorios de todo el mundo apuntaron sus telescopios a una fuente de ondas gravitacionales cuya huella en forma de radiación electromagnética podía estudiarse. Esto inauguró un nuevo tipo de astronomía: la astronomía de múltiples mensajeros.

Recreación del evento observado con ondas gravitacionales y electromagnéticas
Recreación del evento observado con ondas gravitacionales y electromagnéticas

Hasta ese momento, y apenas desde 2015, se podía detectar las ondas gravitacionales que atravesaban la Tierra, pero no se podía observar el lugar de dónde provenían. Al poder hacerlo, sin embargo, los astrónomos accedieron a un tesoro de información sobre estrellas de neutrones, sobre el comportamiento de la materia en condiciones extremas, sobre el espacio-tiempo o, sobre si existen o no dimensiones extra. Como prueba de la importancia de estos hallazgos, los fundadores de este campo y del primer observatorio de ondas gravitacionales recibieron el Premio Nobel de Física en 2017.

El evento GW170817 le permitió a varios investigadores descartar teorías que tratan de explicar el misterio de la energía oscura y que predicen que las ondas gravitacionales deben ralentizarse. En esta ocasión, sin embargo, han sido las teorías de las dimensiones extra las que no han pasado la prueba.

No hay grandes dimensiones extra

Los resultados de Pardo y compañía indican que la energía de dichas ondas, procedentes de GW170817, no se disipó. Pero los resultados solo excluyen la existencia de dimensiones extra en grandes dimensiones, pero no en las pequeñas, como ocurriría según algunas predicciones de la teoría de cuerdas (con sus 10 dimensiones), según la cual las partículas son en realidad cuerdas que vibran.

Los hallazgos del equipo de Kris Pardo excluyen, en concreto, que existan dimensiones extra en escalas de hasta 1,6 kilómetros y a una distancia de hasta 80 millones de años luz. También descartan que existan más dimensiones de mayor entidad, pero solo si tienen efectos visibles sobre los fenómenos físicos en ese radio de 80 millones de años luz.

Además, los autores han podido descartar otras asunciones propuestas por teorías que tratan de explicar el misterio de la energía oscura con los gravitones, las partículas que, teóricamente, son la base de la gravedad.

Los expertos han señalado que sería muy interesante repetir las pruebas realizadas en esta ocasión pero analizando fuentes de ondas gravitacionales situadas más lejos que el evento de fusión de estrellas de neutrones GW170817. Hacerlo permitiría observar cómo era el Universo más atrás en el tiempo, y revelaría si la energía oscura era igual o no a la de épocas actuales.

Todo esto no descarta al cien por cien que existan dimensiones extra, ya que podría ser que, sencillamente, las ondas gravitacionales no interaccionasen con las dimensiones adicionales como se cree. Sea como sea, lo que queda claro, en medio de estos complejos trabajos, es que, poco a poco, la ciencia va avanzando a medida que descarta hipótesis que no pasan las pruebas experimentales. Por eso es seguro que las futuras observaciones y detecciones de ondas gravitacionales nos irán acercando a la resolución de los mayores secretos que hemos encontrado, hasta ahora, en el Universo.

/psg