Curvas y arrugas del espacio-tiempo

Según la Relatividad General de Einstein, la gravedad es una curvatura del espacio, es decir: la gravedad, es el efecto de la masa en la geometría del espacio. Para entender esto os pongo el siguiente ejemplo: imaginad que el Sol y la Tierra están unidos por una barra imaginaria, a la cual llamaremos espacio-tiempo, el efecto que ejerce la masa del Sol y la Tierra hará que esta barra se curve, provocando que estos dos cuerpos se aproximen. Si la masa puede ser desviada por la curvatura del espacio, lo mismo ocurrirá con la luz. Einstein señaló, que la luz que viaja hasta nosotros desde las estrellas debe curvarse al pasar cerca de un cuerpo masivo. Para comprobarlo sugirió observar un campo de estrellas en ausencia del Sol y luego volver a observarlo en presencia de este. Como no era posible efectuar esta segunda tarea de forma directa, hubo que esperar al 29 de mayo de 1919, durante un eclipse total de Sol, que fue observado por Arthur Eddington, en el golfo de Guinea para confirmar su predicción. Confirmando lo apuntado por Einstein, actualmente está comprobado la existencia de las lentes gravitacionales causadas por este efecto. De lo anteriormente explicado, podemos llegar a la siguientes conclusiones: la gravedad no se debe a una fuerza ejercida por la masa de los cuerpos atrayéndose unos a otros, tal y como apuntaba Newton, sino que es el resultado de la curvatura del espacio-tiempo, y que la gravedad esta directamente relacionada a la aceleración que esta imprime a un cuerpo (recordemos que todos los cuerpos celestes se encuentran en movimiento relativos a partir del Big Bang).

Fig. 1 Gravedad según la Relatividad General de Albert Einstein - Créditos de la Imagen: Wikipedia

A este respecto, el mismísimo Newton no se encontraba satisfecho con sus propias leyes (las cuales se tuvieron en cuenta durante más de trescientos años) y en una carta dirigida a Bantley escribió lo siguiente: "...que un cuerpo pueda actuar sobre otro a una distancia a través del vacío, y que sin la intervención de nada, pueda transferir el uno al otro su acción y su fuerza, es para mi tan absurdo, que no creo que ningún hombre que sea un pensador en asuntos filosóficos pueda creérselo."

Pero sigamos con el tema que nos concierne. Cuando incluimos el término “aceleración” en la ecuación relativista., y teniendo en cuenta que aceleración = variación de velocidad en un período de tiempo, nos vemos obligados a incluir una cuarta dimensión: la del tiempo. Por lo que, anchura, altura y profundidad, quedan íntimamente ligados al tiempo, pudiendo verse afectadas estas cuatro dimensiones por el efecto de la gravedad. Einstein, también apuntó por ello que lo mismo que la luz se curva por la gravedad, el tiempo se deforma y pudiendo comprobar en el año 1960 utilizando un reloj atómico sujeto a la gravedad terrestre. Colocando el reloj en las distintas plantas de un alto edificio, verificó que en el ático funcionaba más deprisa que en el sótano, debido a que este último esta más cerca del núcleo terrestre donde la fuerza de la gravedad es mayor. Al día de hoy esto es un hecho más que comprobado y hay que tenerlo en cuenta en los relojes de los satélites GPS, corrigiéndolos constantemente.

De anteriormente explicado podemos resumir lo siguiente:

Fig. 2 Telescopio Espacial Hubble: Lente Gravitacional G2237+0305 - Créditos de la Imagen: NASA

a.- El espacio-tiempo es curvo en las regiones en las que hay materia (o energía). 
b.- Los relojes funcionan a distinto ritmo según la gravitación que influya sobre ellos.
c.- La luz se desvía al atravesar una curvatura pronunciada del espacio-tiempo.

Estos conceptos, nos podrían dar una explicación, de que es la materia oscura. Pero, ¿por qué la astrofísica ideó la existencia de “materia oscura” sin poder verla?.

Primero: existen galaxias espirales, en las que los objetos en sus extremos más alejados, giran más deprisa de lo cabria esperar, atraídos por una fuerte influencia gravitatoria. Pero sin haber ningún tipo de materia cerca ¿de donde procede esta fuerza gravitacional?.

Segundo: una concentración masiva de materia crea una lente gravitacional al curvarse la luz, pero existen “lentes” en el cosmos que no tienen explicación, pues no vemos ningún tipo de materia cerca ¿por qué?.

Fig. 3 Lente Gravitacional - Créditos de la Imagen: Wikipedia

Tercero: el fondo de microondas está desperdigado por todo el cosmos (muy probablemente esta radiación de microondas sea un residuo del Big Bang), pues bien, estas partículas se concentran cerca de campos gravitacionales fuertes, a modo de lente gravitacional. El caso es que también se han detectado concentraciones de estas partículas, en sitios que no deberían estar, pues no existen grandes concentraciones de materia en esos lugares ¿por qué?.

Como podéis ver, existen algunos fenómenos astronómicos que la ciencia puede observar, pues medimos sus efectos, pero aun así desconocemos su causa, por ello se introdujo el término de materia oscura, la cual no se tiene que confundir con energía oscura (ya que esta última provoca efectos diferentes).

Fig. 4 Imágenes del Telescopio Espacial Hubble: Anillos de Einstein - Créditos de la Imagen: NASA

Podemos visualizar de forma simplificada a la gravedad según la Relatividad de Einstein (por eso os he introducido al principio del texto en ella) como si la trama de espacio-tiempo se tratase de una tela elástica sobre la que se encuentran todos los objetos celestes. Cuando mayor sea la masa más se hundirán en esta tela, llegando en concentraciones demasiado masivas de materia, a generar una especie de hoyo donde ni siquiera la luz puede salir (un agujero negro) quedando la materia que genera dicho campo gravitatorio fuera del alcance de nuestros ojos. Incluso el tiempo se ve tan afectado en las cercanías de estos hoyos que visto desde fuera se ralentiza hasta parecer detenerse. Los agujeros negros solitarios, conjuntamente con otros cuerpos masivos fríos que no emiten prácticamente radiación (comúnmente denominados MACHOs) y unas hipotéticas partículas muy similares a los neutrinos en sus propiedades, pero mucho más masivas (WIMPs) son los candidatos más prometedores a explicar la materia que según las predicciones de la teoría de Einstein sabemos que está allí, pero llamamos "oscura" por no poder observar.

Fig. 5 Disco de acreción de posible Agujero Negro en NGC 4261 - Créditos de la Imagen: NASA

Teniendo esto en cuenta, y con arreglo a las nuevas mediciones de la ciencia, deberemos mirar el cosmos con nuevos ojos... un espacio curvo, con muchas arrugas, las cuales impiden que contemplemos toda su grandeza. Recordad que un observador en nuestro planeta, dirá después de mirar a su alrededor que el mundo es plano, y que detrás del horizonte no existe nada. Solo haciendo cálculos y mediciones, caerá en la cuenta de que la Tierra es esférica.

Miguel Serrano Cortes
para Simplemente... El Universo