miércoles, 21 de diciembre de 2011

La foto imposible del universo

Entender el cosmos como un todo es similar a mirar al vacío en el borde de un abismo: sabemos que da vértigo, pero la curiosidad y un extraño morbo nos asedian. Nos asomamos. Muchos físicos y astrónomos se han embarcado en esta misión, dibujando y coloreando teorías para todos los gustos.
Por lo que sabemos hasta ahora, el universo podría tomar casi cualquier forma. Si fuera cerrado nos libraría del incómodo enfrentamiento con el espacio infinito. Pero también podría ser plano o curvo, retorcido como una cinta de Moebius o enredado como una maraña de lana. O incluso podría no tener ningún sentido discutir sobre su ‘forma’.
“Cuando hablamos de la forma del universo nos referimos a la geometría dinámica del espacio-tiempo, que va evolucionando”, advierte Mariano Moles, investigador y director del Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón. El cosmólogo nos avisa de que, de acuerdo con el modelo relativista, no podemos separar el espacio y el tiempo, así que nos encontramos ante un incómodo objeto de cuatro dimensiones imposible de visualizar. Así que nos conformamos con observar ‘fotografías’ del universo en cada momento. “Aunque en el instante cosmológico después será distinto. Las propiedades intrínsecas se mantienen, pero la expansión, por ejemplo, sigue su curso”, advierte Moles.

La foto desde fuera

Antes de fijar el objetivo, hay que escoger el punto de vista. Una opción es retratar nuestro entorno desde dentro del propio universo. La otra es hacer la foto desde fuera, abarcando la totalidad del espacio. Una y otra imagen nos mostraría lo que los científicos distinguen como forma local, o curvatura, y forma global, o topología. “La topología es la forma que veríamos desde fuera. Claro que ‘fuera’ del universo no existe”, afirma Eduard Salvador, catedrático de Astrofísica de la Universidad de Barcelona. Puede parecer una tontería, pero este es uno de los grandes problemas. Por desgracia, no existe Google Universe.

“A la hora de entender cuerpos en tres dimensiones, estamos limitados por estar nosotros mismos inmersos en un mundo de tres dimensiones”, apunta Vicente Muñoz, catedrático de Geometría y Topología de la Universidad Complutense de Madrid, en su texto La forma del universo. Para entender esta dificultad pegajosa son útiles los ‘chatoides’, personajes planos inventados por Eduardo Battaner, catedrático de Cosmología de la Universidad de Granada. Estos individuos habitan en la superficie de una esfera y solo pueden discernir los conceptos de longitud y anchura. Para ellos el mundo es un plano que se extiende indefinidamente. A simple vista, no perciben que su universo es curvo, sin embargo, tienen otras maneras de darse cuenta. Si, por ejemplo, emprendieran un viaje con rumbo constante, después de recorrer una circunferencia entera llegarían al mismo punto. Pese a su visión reducida, los chatoides serían capaces de comprender que el espacio en el que habitan tiene que ser ‘algo parecido’ a la superficie de una esfera.
Esto mismo, en una dimensión más, es lo que intentan hacer algunos para estudiar la forma global del cosmos. “Si el universo fuese cerrado, deberían producirse repeticiones de algún tipo cuando miramos a lo lejos en el espacio –explica Eduard Salvador–. Pero hasta el momento no hay ninguna observación que pueda confirmar o desmentir ninguna hipótesis de topología”. No solo hay que mirar muy lejos, también es fundamental saber en qué dirección. Si los chatoides habitan en la superficie de un cilindro infinito, al caminar en la dirección del eje jamás se producirá una repetición. Sin embargo, rodeando la circunferencia sí volverán al mismo punto. “No sabemos cómo avanzar, las repeticiones son muy difíciles de detectar y ni siquiera se sabe si se darán, así que normalmente no se trabaja mucho en esta línea”, admite Salvador.

Después de todo, el universo es plano

El estudio de la curvatura del espacio está dando mejores frutos. Hay una respuesta casi unánime: el universo es plano. “Distintas observaciones independientes (sobre las anisotropías de la radiación de fondo, lentes gravitatorias, distribución de materia a gran escala, efectos que tienen que ver con la temperatura del gas que está dentro de los cúmulos, etc.) privilegian la geometría plana”, apunta Salvador. “Con plano, no nos referimos a que sea como un folio, sino a que se cumplen las propiedades de la geometría euclídea”, explica. “Si lanzamos dos haces de luz de forma paralela, que viajen a través de todo el universo, nunca se acercarán o se alejarán. Si fuera curvo, estos haces de luz terminarían acercándose o alejándose”, describe José Alberto Rubiño, cosmólogo del Instituto Astrofísico de Canarias. “Y, efectivamente, esta característica la podemos asegurar en la región del universo que observamos”, afirma.
La gran apuesta para estudiar el universo es el análisis de la radiación de fondo de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), el eco electromagnético del Big Bang. Tras siete años de observaciones, La Sonda Anisotrópica de Microondas Wilkinson (WMAP) de la NASA ha trazado en 2011 el primer plano completo del cielo de microondas en alta resolución. “Hasta ahora, la mejor determinación de la forma del universo la ha aportado el WMAP”, asegura a SINC Charles Bennett, profesor de Física y Astronomía de la Universidad Johns Hopkins e investigador principal del equipo científico del WMAP. Si nos fiamos de la NASA, podemos asumir que, con un margen de error de un 0,5%, estamos en una geometría plana. Los científicos siguen trabajando para aumentar la precisión: “la Agencia Espacial Europa (EEA) acaba de lanzar el satélite Planck, que está tomando datos y publicará sus resultados a principios de 2013. Es de tres a diez veces más sensible que el WMAP, así que podrá confirmar con muchísima exactitud el modelo que entendemos hoy día de un universo plano a gran escala”, añade Rubiño, que forma parte de este proyecto.
¿Podemos deducir algo de estas observaciones? Charles Bennett contesta: “si la curvatura es nula, entonces el universo global no puede tener una geometría esférica”. Entonces, ¿podemos descartar que el universo sea una esfera? “No”. El especialista de la Nasa se resiste a descartar completamente ninguna de las formas posibles ya que las observaciones siempre tendrán alguna incertidumbre. “En este momento nuestras medidas son indistinguibles de la curvatura nula, pero no podemos desechar la geometría esférica. Eso sí, si el universo tuviera este tipo de forma, el radio de curvatura sería enorme”, explica Bennet.

Algunas verdades universales

Tenemos sobre la mesa todas las opciones: abierto o cerrado, finito o infinito. “No sabemos si el cosmos es finito o infinito. Sí podemos asegurar que la región que podemos ver es finita”. Bennett se refiere al ‘horizonte cosmológico’, una especie de límite infranqueable a partir del cual no se puede saber absolutamente nada. La barrera deriva de la finitud de la edad del cosmos y de la limitación de la velocidad de la luz. Hoy podríamos conocer, como mucho, lo que ha recorrido la luz desde el momento del Big Bang, es decir, los objetos que estén a distancias inferiores a 13.700 millones de años luz. “La luz de todo lo que esté más lejos aun no nos ha llegado”, afirma Rubiño.
Pero que no se pueda observar no significa que no exista. “Hay pruebas que muestran que el universo es mucho más grande. Si el tamaño fuera menor que 70.000 millones de años, entonces veríamos múltiples copias en los mapas de microondas. Hemos buscado este patrón y no lo hemos visto. Esto nos permite situar una cota del mínimo tamaño que tiene el universo”, afirma a SINC David Spergel, profesor de astrofísica en la Universidad de Princeton (EE UU). “También podemos asegurar que no tiene bordes”, añade Rubiño.
Recapitulando: es finito en el tiempo, es muy grande, no tiene bordes, pero ¿es infinito? El concepto se escapa de nuestras manos y da lugar a paradojas. Spergel plantea una de las más inquietantes: “Un universo infinito que es finito en el tiempo es una cosa bastante extraña. Sabemos que hay un número finito de átomos en cada ‘parche’ observable del espacio (de radio de 13.700 millones de años luz), y las maneras de recolocarlos también son finitas. Nuestra existencia viene determinada por una recombinación de átomos concreta. Es muy poco probable, pero es una de las opciones de la lista finita. En un universo infinito tendría que haber otros lugares en los que se volviera a dar esta combinación. De hecho, infinitos lugares. Por tanto, en un universo de esta naturaleza existirían infinitas copias de nosotros mismos. Esto es raro”.
Si para el lector lego esto es un galimatías, no debe preocuparse: los cosmólogos tampoco se sienten cómodos con estos trabalenguas. “Yo, personalmente, prefiero un universo finito, aunque muy grande”, admite Spergel. Moles coincide: “Es finito, pero ilimitado, sin bordes”. Aunque no todos renuncian al universo inabarcable: Alberto Rubiño, como joven científico, se atreve con ideas arriesgadas: “Lo más probable es que, espacialmente, sea un universo infinito. Además, la opción finita también da problemas”.

Atrapados por nuestra visión finita

Si el universo es más grande que el horizonte cosmológico, estamos condenados a no saber nunca si se curva o no. El espacio podría ser finito, pero tan grande que cualquier señal de ello esté fuera de nuestro alcance. Puede que, después de todo, nunca lleguemos a conocer su forma. A no ser que la astronomía pueda, de alguna manera, superar este confín.
Pese a lo atractivo de estas ideas más propias de la ciencia-ficción, Battaner no da pie a las falsas esperanzas: “No puede observarse más allá del horizonte cosmológico. Eso violaría el principio de la velocidad finita de la luz. Lo que está más allá del horizonte puede vislumbrarse por la teoría, pero no por la observación”.
La verdad es que, hasta ahora, ‘mirar’ a través de la teoría nos ha permitido saber muchas cosas. “Tenemos un modelo cosmológico relativamente simple, que puede explicar todas las medidas, incluyendo las geométricas, con solo seis parámetros”, afirma Benett. Es la Teoría de la Inflación, la revisión del Big Bang que sitúa un periódico de inflación dramático y exponencial en el comienzo del universo y por la que apuesta gran parte de la comunidad científica. “Fuera como fuese la curvatura inicial, el cosmos se ‘aplastó’ por la enorme expansión, hasta llegar a un estado prácticamente plano. A partir de entonces, el universo ha seguido expandiéndose y enfriándose. Conocemos el contenido del universo: un 73% de energía oscura, 23% de materia oscura y 4% de átomos. Sabemos que tiene 13.700 millones de años. Entendemos muchas cosas, pero hay todavía tantísimas otras que no comprendemos”, admite el experto de la NASA.

Y para los escépticos, los que tienen que ver para creer, los que necesitan asomarse al borde del precipicio, los métodos observacionales todavía tienen mucho que ofrecernos. “El camino más prometedor es el que proporcionó WMAP, aunque su sucesor, el satélite Planck de la ESA está ya orbitando y midiendo, y muy pronto ofrecerá datos de precisión mucho mayor, lo que nos permitirá, entre otras cosas, conocer la geometría del universo”, anticipa Battaner. Bueno, digamos ‘conocer mejor’. En particular, corroborar las correcciones de la inflación: “analizando las anisotropías de la radiación observada por Planck, podremos afirmar, o no, que vivimos en un universo plano, dominado por la energía oscura, que terminará en un ‘gran desgarrón’, con una expansión indefinidamente cada vez más rápida”. Entonces, seremos capaces de ver con un poco más de precisión que se esconde en el fondo del abismo.

Triángulos en el cielo

A partir de observaciones del Fondo Cósmico de Microondas, la misión WMAP ha determinado, con un margen de error del 0,5%, que el universo es plano. “Si dibujas un triángulo enorme en la superficie de la Tierra, la suma de los ángulos será mayor a 180 grados, porque es curva. La misión espacial WMAP ha hecho el mismo razonamiento en tres dimensiones: sobre un triángulo tridimensional que se extiende sobre vastas regiones del espacio ha mostrado que la naturaleza del espacio es euclídea, es decir, que su curvatura es cero”, afirma Charles Bennett.
La curvatura, que describe la geometría local, está íntimamente relacionada con la densidad y con el destino del universo. La distribución de la materia y la energía determina la relación entre las fuerzas que mueven el cosmos a gran escala: la expansión y la gravedad. Según venza una o la otra, el mundo sufrirá una contracción que le llevará al colapso, una expansión acelerada que lo desgarrará, o quedará en equilibrio hasta la muerte térmica.


Enlace original: SINC.

3 comentarios:

  1. Excelente artículo!
    personalmente prefiero pensar que la naturaleza está tan bien "hecha" que no habrá un final tan catastrófico (ni colapso ni enfriamiento absoluto), pero sólo es una idea romántica que carece de valor científico.

    saludos!!

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  2. Muy bueno!

    Pero me surge una duda... Alguna vez he leído que la distancia al límite del universo observable es de unos 46000 aL, y no de 13700 aL como dices, debido a la expansión del universo. ¿Es así realmente?

    Gracias y enhorabuena por este estupendo blog

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  3. En efecto, son unos 46.000 años luz. Este fenómeno se explica con la Gran Inflación que sufrió nuestro Universo temprano.

    Un saludo!

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