Un grup dʼinvestigadors utilitza dades reals en lloc de teories per mesurar lʼUnivers

Mesurar la distància estàndard de l'Univers és un aspecte clau per comprendre com s'expandeix. Aquesta distància, també anomenada regla estàndard, és un patró de longitud «gravat» en l'agrupació de matèria que van crear les variacions de densitat en l'Univers primerenc (uns 400.000 anys després del Big Bang). Fins ara, la mida només s'havia pogut estimar mitjançant models teòrics basats en la relativitat general, utilitzats per explicar la gravetat a gran escala. Atès que la regla estàndard és una mesura constant, comparar la seva mida real amb la que mostra a l'espai permet mesurar a quina distància es troba de la Terra. Aquest enfocament basat en dades, unit a un increment de la quantitat de dades observacionals, pot proporcionar mesures precises que donin resposta a grans qüestions relacionades amb l'acceleració de l'Univers i l'energia fosca.

El patró de longitud utilitzat en aquest estudi és l'escala d'oscil·lacions acústiques de barions. Els investigadors han calculat que aquesta longitud correspon a 143 megaparsecs (vora 480 milions d'anys llum), una xifra similar a la que apunten les prediccions vigents basades en models subjectes a la relativitat general.

Tradicionalment, en cosmologia, la relativitat general ha tingut un paper fonamental en la majoria de models i interpretacions. Aquesta recerca, publicada a la revista Physical Review Letters, demostra que les dades observacionals disponibles són suficients per mesurar la geometria i l'expansió de l'Univers sense necessitat de considerar estimacions derivades de la relativitat general.

La teoria de la relativitat general d'Einstein va substituir la llei de Newton i es va acceptar com a vàlida per explicar el comportament de la gravetat a gran escala. Nombrosos models astronòmics es basen en la relativitat general, incloent-hi els que intenten explicar l'expansió de l'Univers i els forats negres. No obstant això, encara queden alguns aspectes sense resoldre al voltant d'aquesta teoria. Per exemple, la relativitat general no concorda amb les lleis de la física quàntica i aquesta s'ha d'extrapolar a altres ordres de magnitud per poder aplicar-la a escenaris cosmològics. Cap altra llei de la física s'ha extrapolat tant sense ser ajustada, raó per la qual encara es pot qüestionar.

Segons Raúl Jiménez, investigador de l'Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i coautor de l'estudi, «les incerteses que envolten la relativitat general ens han portat a desenvolupar mètodes que ens permetin fer mesures més directes del cosmos, en lloc de dependre tant d'inferències extretes a partir de models». «Aquest estudi  —assenyala Jiménez— es basa únicament en algunes formulacions teòriques bàsiques, com ara la simetria i l'expansió de l'Univers».

Per la seva banda, la investigadora ICREA de l'ICCUB Licia Verde subratlla que hi ha una gran diferència entre mesurar una distància i inferir-la de manera indirecta. «En cosmologia —afirma—, normalment només es pot fer la segona opció. Però aquest és un d'aquells casos insòlits i valuosos en què la distància es pot mesurar de manera directa». «La majoria de lleis cosmològiques adopten la relativitat general i l'apliquen a escales molt grans, de manera que sovint s'extrapolen dades fora de la zona de confort. És encoratjador descobrir que és possible formular afirmacions rellevants que no depenen de la relativitat general i que concorden amb d'altres de realitzades prèviament », assenyala la investigadora. «Comprovar que les observacions de l'Univers, per més rares i desconcertants que semblin, són realistes i sòlides aporta seguretat», destaca Verde.

Per mesurar la mida de la regla estàndard, l'estudi ha utilitzat dades obtingudes d'observacions astronòmiques centrades en la brillantor de les explosions estel·lars (supernoves) i en el patró de distribució de la matèria (oscil·lacions acústiques de barions). La matèria que va crear aquesta regla estàndard es va formar uns 400.000 anys després del Big Bang. En aquell moment la física de l'Univers encara era massa simple, de manera que els investigadors no han necessitat tenir en compte conceptes com ara l'energia fosca en els seus mesuraments.

«Els mesuraments utilitzats en aquest estudi són precisos», destaca Alan Heavens, professor del Departament de Física de l'Imperial College de Londres. «A més —afegeix—, la teoria que hem aplicat pertany a una època relativament propera al Big Bang, en què la física era també molt clara». El professor indica que el mètode de mesurament basat en observacions del cosmos es considera necessari, tot i que l'astrofísica sigui un camp molt actiu i canviant i, per tant, els models considerats vàlids estiguin subjectes a possibles canvis: «Encara que els models perdin validesa, les observacions i els mesuraments del cosmos seguiran sent vàlids. Aconseguir basar-nos en mesuraments realitzats durant observacions directes i no en models teòrics significa un gran avenç en astrofísica i cosmologia», conclou l'investigador.

Aquesta recerca ha rebut el suport de la Reial Societat de Londres i el Consell Europeu de Recerca.

Referència de l'article:

Heavens, A.; Jiménez, J.; Verde, L. «Standard Rulers, Candles and Clocks from Low-Redshift Universe». Physical Review Letters, novembre de 2014. Doi: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.241302