Imagen: NASA
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Observar la luz de las estrellas de neutrones proporcionó un punto de referencia para medir los efectos de dimensiones adicionales en la propagación de las ondas gravitatorias a través del espacio.

El año pasado, tres físicos compartieron el Premio Nobel por su detección de las ondas gravitatorias producidas por agujeros negros en colisión. Tan sólo dos semanas después de que se anunciara el premio, los físicos del mismo laboratorio —el Observatorio de Ondas Gravitatorias con Interferómetro Láser (LIGO, por sus siglas en inglés)— anunciaron que habían detectado una onda gravitatoria producida por la colisión de dos estrellas de neutrones ultradensas.

A diferencia de los agujeros negros, que sólo fueron detectados por pequeñas perturbaciones en un sistema de láser gigante, la colisión de la estrella de neutrones también produjo luz que pudo detectarse con un receptor óptico. Por lo tanto, los físicos del LIGO tenían dos medidas del mismo evento: una que medía ondas gravitatorias y otra que medía partículas de luz. En las teorías extradimensionales de la gravedad, la propagación de la luz a través del espacio no se ve afectada por estas dimensiones adicionales, pero sí las ondas gravitatorias. Por lo tanto, al comparar las mediciones de las ondas gravitatorias y la luz a medida que se propagaba a través del espacio, los físicos del LIGO pudieron determinar si estas dos diferentes formas de onda estaban experimentando el mismo número de dimensiones de espacio-tiempo.

Según su investigación recientemente publicada en el Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, las mediciones de la colisión de estrellas de neutrones sugieren que tanto las ondas gravitatorias como las partículas de luz experimentan cuatro dimensiones (tres dimensiones espaciales más el tiempo). En otras palabras, este evento astrofísico no proporcionó ninguna evidencia de la existencia de dimensiones superiores del espacio-tiempo predichas por varias teorías de la gravedad. Esto es un gran problema en la medida en que esta restricción limita las teorías admisibles de la naturaleza de la gravedad y su relación con la materia oscura y la energía oscura, dos de los mayores misterios de la física.

"Tenemos mucha evidencia indirecta de que existe materia oscura y energía oscura, pero no sabemos qué son", me dijo en un correo electrónico Daniel Holz, profesor asociado de física de la Universidad de Chicago. "Una de las formas creativas en que los teóricos han explicado estos fenómenos es modificando la forma en que la gravedad funciona a grandes distancias y, en particular, añadiendo dimensiones adicionales a la teoría".

Según la teoría de la relatividad general de Einstein, la fuerza de una onda gravitatoria "disminuye inversamente a la distancia de luminosidad". En otras palabras, después de tener en cuenta cómo la curvatura del espacio-tiempo y la expansión del universo afectan la fuente de las ondas gravitatorias, un aumento en la distancia a la fuente corresponde a una disminución en la fuerza de la onda gravitatoria. No obstante, tan pronto comienzas a agregar dimensiones adicionales a las teorías de la gravedad, esta relación comienza a cambiar. Para las teorías extradimensionales de la gravedad "no compactas" —básicamente aquellas que no son teorías de cuerdas, donde las dimensiones adicionales se enrollan sobre sí mismas—, las ondas gravitatorias "se filtran" en estas dimensiones adicionales a medida que se propagan a través del espacio y el tiempo. Esto debería conducir a una reducción en su fuerza cuando se detectan por un receptor en comparación con lo que predice la relatividad general.

“Es increíble que podamos medir directamente la cantidad de dimensiones espacio temporales en una gran franja del universo”.

Esto sería imposible de probar usando sólo datos de ondas gravitatorias, ya que depende de conocer la distancia hasta la fuente de la onda gravitatoria. Una onda detectada con una fuerza menor que la esperada podría deberse a un error en la distancia inferida a la fuente de la onda o podría deberse a fugas en dimensiones superiores. No hay manera de distinguir una de la otra sin una forma diferente de medir el mismo evento que no se ve afectado por las dimensiones adicionales.

En las teorías extra dimensionales de la gravedad, la fuga hacia otras dimensiones sólo ocurre para las ondas gravitatorias de frecuencia extremadamente baja. Algunas teorías incluso postulan que esto sólo ocurre en longitudes de onda en la escala del horizonte cósmico (es decir, varios miles de millones de años luz). Por lo tanto, un evento que produce ondas gravitatorias y radiación electromagnética —como la colisión de dos estrellas de neutrones— proporciona su propio punto de referencia para medir los efectos de las dimensiones adicionales en las ondas gravitatorias ya que la radiación electromagnética no se ve afectada en estas teorías.

Sine embargo, de acuerdo con los nuevos resultados de LIGO, no hubo fuga aparente de ondas gravitatorias en otra dimensión del espacio-tiempo. Su fuerza en el receptor LIGO era exactamente la esperada. Esto implica que las ondas gravitatorias y las ondas electromagnéticas solo experimentan cuatro dimensiones (tres dimensiones espaciales más el tiempo), incluso en escalas de cientos de millones de años luz.

"Podemos probar directamente que las ondas gravitacionales y la luz viajan a través de universos idénticos, y encontramos que ambos ven las dimensiones habituales 3 + 1", dijo Holz. "Esta es la primera vez que hemos podido probar esto directamente, y es increíble que podamos medir directamente la cantidad de dimensiones espacio temporales en una gran franja del universo".

Publicado originalmente en VICE.com