Investigadors de l'IAC3 i del SISSA proporcionen la primera simulació de col·lisions d'estrelles de neutrons en extensions de la relativitat general, la qual cosa és rellevant per a la cosmologia i ofereix un enfocament nou per provar la gravetat 

Una quantitat enorme d’energia fosca misteriosa és necessària per explicar els fenòmens cosmològics, com ara l'expansió accelerada de l'Univers, amb la teoria d'Einstein. Però, i si l'energia fosca fos només una il·lusió i s’hagués de modificar la relativitat general? Un nou estudi de la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (‘Escola Superior Internacional d'Estudis Avançats’, SISSA, Itàlia) i l'Institut d'Aplicacions Computacionals de Codi Comunitari (IAC3) de la Universitat de les Illes Balears, publicat a la revista científica Physical Review Letters, ofereix un enfocament nou per respondre aquesta pregunta.

Gràcies a un enorme esforç computacional i matemàtic, els científics han produït la primera simulació de la fusió d'estrelles binàries de neutrons en teories que superen la relativitat general i que reprodueixen un comportament similar al de l'energia fosca en escales cosmològiques. Això permet comparar la teoria d'Einstein i versions modificades i, amb dades prou precises, pot resoldre el misteri de l'energia fosca.

Des de fa devers 100 anys, la relativitat general ha tingut molt d'èxit a l'hora de descriure la gravetat en diversos règims, ja que ha superat totes les proves experimentals a la Terra i al sistema solar. No obstant això, per explicar les observacions cosmològiques, com ara l'expansió accelerada de l'Univers que s’ha observat, és necessari introduir components foscos, com la matèria i l'energia fosques, que continuen sent un misteri.

Enrico Barausse, astrofísic de la SISSA i investigador principal de la beca de l'ERC GRAMS (GRavity from Astrophysical to Microscopic Scales), es demana si l'energia fosca és real o si, per contra, es pot interpretar com una ruptura de la nostra comprensió de la gravetat. «L'existència de l'energia fosca podria ser només una il·lusió —diu— i l'expansió accelerada de l'Univers podria ser causada per algunes modificacions encara desconegudes de la relativitat general, una espècie de “gravetat fosca”».

La fusió de les estrelles de neutrons ofereix una situació única per posar a prova aquesta hipòtesi, ja que la gravetat que les envolta és duta a l'extrem. «Les estrelles de neutrons són les més denses que existeixen, normalment de només 10 quilòmetres de radi, però tenen una massa entre una i dues vegades la del nostre Sol», explica el científic. «Això fa que la gravetat i l'espaitemps que les envolta siguin extrems, la qual cosa permet la producció abundant d'ones gravitacionals quan dues col·lideixen. Podem fer servir les dades adquirides durant aquests esdeveniments per estudiar el funcionament de la gravetat i posar a prova la teoria d'Einstein en una nova finestra».

En aquest estudi, els investigadors de l’IAC3 i el SISSA produïren la primera simulació de fusió d'estrelles binàries de neutrons en teories de gravetat modificada rellevants per a la cosmologia: «Aquest tipus de simulacions és extremadament desafiador» —aclareix Miguel Bezares, primer autor del treball— a causa de la naturalesa altament no lineal del problema. Requereix un esforç computacional enorme —mesos d'execució en supercomputadors— que va ser possible també gràcies a l'acord entre el SISSA i el consorci CINECA, així com a les noves formulacions matemàtiques que desenvolupam. Això va representar un gran obstacle durant molts anys fins a la nostra primera simulació».

Gràcies a aquestes simulacions, finalment els investigadors poden comparar la relativitat general i la gravetat modificada. «Sorprenentment, descobrim que la hipòtesi de la “gravetat fosca” és igual de bona que la relativitat general a l'hora d'explicar les dades adquirides pels interferòmetres LIGO i Virgo en les passades col·lisions binàries d'estrelles de neutrons. De fet, les diferències entre les dues teories en aquests sistemes són bastant subtils, però poden ser detectables pels interferòmetres gravitacionals de pròxima generació, com el telescopi Einstein a Europa i el Cosmic Explorer als Estats Units. Això obre l'apassionant possibilitat de fer servir les ones gravitacionals per discriminar entre l'energia fosca i la “gravetat fosca”», conclou Barausse.

Dos dels autors de l'estudi, Carlos Palenzuela i Ricard Aguilera Miret, són investigadors de l’IAC3 de la UIB. A més, el primer autor, Miguel Bezares, es va doctorar a la UIB sota la direcció de Carlos Palenzuela.

Referència bibliogràfica

Miguel Bezares, Ricard Aguilera Miret, Lotte ter Haar, Marco Crisostomi, Carlos Palenzuela, Enrico Barausse (2022). No Evidence of Kinetic Screening in Simulations of Merging Binary Neutron Stars beyond General Relativity. Physical Review Letters, 128 (9). <htttps://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.091103>.

Data de publicació: 07/03/2022