Hace unos 2.500 años la humanidad reconoció que nuestro planeta era redondo, salvo algunos defensores de la «tierra plana» que todavía hoy lo cuestionan. Sin embargo, todavía no está claro qué forma tiene nuestro universo. Investigaciones anteriores han sugerido que el cosmos probablemente tenga una forma bastante simple, como el equivalente tridimensional de una superficie esférica o plana. Pero esta visión podría estar equivocada, descubrieron los cosmólogos de la colaboración COMPACT (Collaboration for Observations, Models and Predictions of Anomalies and Cosmic Topology) en un artículo publicado en abril de 2024. Como resultado, la forma del universo podría ser significativamente más compleja que previamente asumido.
Incluso la Tierra parece plana a primera vista. Porque su radio es tan grande que la curvatura apenas se nota. Pero hay una manera segura de demostrar la forma esférica; solo tienes que empezar a caminar. Si avanzas sin volver atrás, cruzando montañas y océanos, eventualmente regresarás al punto de partida. Los cosmólogos recopilan pistas similares para determinar la forma del universo. Podrían enviar una nave espacial a través del espacio. En cambio, miran el cielo nocturno y examinan las huellas de la luz más antigua que nos llega desde las profundidades del cosmos.
Esta radiación surgió unos 300.000 años después del Big Bang. Los fotones ya existían antes, pero hasta entonces la materia estaba tan densamente comprimida en el entonces pequeño universo que los cuantos de luz no tenían posibilidad de moverse libremente. Pero finalmente el universo se enfrió lo suficiente como para volverse transparente. Los fotones pudieron propagarse libremente por el espacio, y todavía lo hacen hoy.
© Colaboración ESA/Planck (detalle)
Radiación de fondo | De 2009 a 2013, la sonda espacial Planck de la ESA midió la radiación cósmica de fondo de todo el cielo con la mejor precisión y resolución angular hasta la fecha. El espectro y la intensidad de la radiación corresponden en cada punto del cielo a una temperatura específica, representada aquí en código de colores. El rango de temperatura que se muestra en la figura, desde el azul intenso hasta el rojo intenso, corresponde sólo a unas pocas millonésimas de la temperatura media de unos 3 Kelvin.
Los fotones de este primer período del universo nos llegan como «radiación cósmica de fondo». Más o menos el mismo patrón de luz antigua proviene de todos los rincones del universo. Y esto proporciona pistas sobre la forma del universo. Por ejemplo, si la curvatura del universo cambiara en un punto, la radiación cósmica de fondo no sería tan homogénea como la observamos. Por lo tanto, los expertos suponen que el universo tiene la misma curvatura en todas partes o es completamente plano.
Una gran cantidad de posibilidades
Es difícil imaginar estas diferentes posibilidades (sin curvatura y curvatura constante). Por eso es útil utilizar ejemplos bidimensionales. En esta analogía, para adaptarse a los patrones homogéneos de la radiación cósmica de fondo, el universo puede, como una hoja de papel, ser efectivamente plano (sin curvatura), correspondiente al equivalente tridimensional de una superficie esférica (curvada positivamente), o Forman una especie de superficie de silla de montar tridimensional (curvada negativamente). En los tres casos la curvatura es constante en todas partes.
© Equipo científico de NASA/WMAP (map.gsfc.nasa.gov/media/060915/); Procesamiento: gráficos SuW (detalle)
Espacio-tiempo en cosmología | El telescopio James Webb ofrece ahora impresionantes imágenes de galaxias distantes. En el verano de 2023, el satélite Euclid emprenderá un viaje exploratorio. Con las imágenes recopiladas, ambos ayudan a llegar al fondo de las grandes preguntas de la cosmología: ¿a qué distancia están de nosotros las primeras galaxias del universo? ¿Cómo se distribuye exactamente la masa en el cosmos? Pero ¿cómo sabemos hasta dónde ha viajado la luz que nos llega? ¿Podemos observar el universo entero? Estas y otras cuestiones sobre cosmología pueden aclararse claramente con la ayuda de diagramas espacio-temporales.
Pero eso no revela cómo es el universo en su conjunto. Por ejemplo, la habitación podría tener la misma curva en todas partes y aun así tener un agujero. Con la ayuda de la disciplina matemática de la topología, estos casos se pueden distinguir entre sí. Los topólogos organizan figuras geométricas según categorías amplias, como el número de agujeros que tienen, para crear una especie de catálogo de formas. El objetivo de los cosmólogos es poder asignar una de estas formas al universo.
Como han demostrado los matemáticos, existe un número infinito de categorías diferentes (topologías) de superficies tridimensionales curvas. Entonces, si el espacio-tiempo tiene realmente forma de silla de montar o esférico, entonces, en teoría, el universo podría adoptar cualquier cantidad de formas, cada una de las cuales difiere mucho entre sí. Sin embargo, observaciones cosmológicas anteriores apuntan a un universo plano y sin curvatura. Esto facilitaría la búsqueda de la topología del universo. Como dedujo Gregori Perelman en 2003, el catálogo de superficies planas tridimensionales es muy reducido: sólo hay 18 categorías diferentes.
Uno de los 18 módulos.
Entonces la forma del universo probablemente corresponda a una de estas 18 formas. Estos incluyen el análogo tridimensional de una hoja de papel. Pero nuestro cosmos también puede tener agujeros. Entre las 18 topologías, el equivalente tridimensional de una superficie de donut es el llamado toro.
Aunque a primera vista un donut parece curvo, esta forma en realidad es plana. Porque la superficie bidimensional del donut se puede crear utilizando una hoja de papel (muy flexible). Para hacer esto, primero pegue los lados largos opuestos de la hoja, creando un tubo alargado. Luego doblas el tubo y unes las dos aberturas.
toro | Un toro es plano visto en su conjunto. Puede describirse mediante un área rectangular.
Esta construcción tiene muchas ventajas. Por ejemplo, si quieres describir el movimiento de una hormiga sobre un donut, normalmente es más fácil tomar la hoja de papel rectangular y examinar su movimiento sobre ella. El insecto camina sobre el trozo de papel y tan pronto como cruza un borde vuelve a entrar en el lado opuesto de la hoja, como en el popular juego para móviles «Snake» de los años 2000. Si la hormiga se mueve en línea recta, tarde o temprano. inevitablemente volverá al punto de partida.
Se puede crear un toro tridimensional de manera similar utilizando un cuboide tridimensional en lugar de una hoja de papel rectangular. En este caso, también lo deformarás para que los lados opuestos del cuboide queden pegados.
Un universo de donuts con lazos
Si nuestro universo fuera toroidal, esto tendría consecuencias tangibles: por ejemplo, si apuntamos con una linterna hacia el cielo, esta luz teóricamente tarde o temprano nos llegaría de nuevo, del mismo modo que la hormiga en el papel siempre vuelve a su lugar. punto de partida. Estos bucles existen en la mayoría de las 18 topologías diferentes. Estos son los nombres de las trayectorias que regresan al punto de partida. Sin embargo, a primera vista los bucles no parecen coincidir con nuestras observaciones. Porque si la luz atravesara periódicamente el espacio, deberíamos ver numerosas copias del universo en el cielo nocturno.
Un universo toroidal | Si el universo fuera toroidal, copias de su contenido serían visibles en diferentes partes del espacio.
En realidad, este hecho no excluye todas las topologías con bucles. Estos pueden ser tan grandes que la luz aún no ha tenido tiempo suficiente para atravesarlos. Quizás dentro de miles de millones de años, los humanos (u otros seres) tengamos el placer de ver un cielo nocturno que contenga numerosas imágenes del universo.
Pero incluso los bucles más grandes dejarían hoy su huella. Por ejemplo, la forma del cosmos influye en cómo interactuaban la materia y la luz en el universo primitivo. Si el universo tuviera agujeros (y, por tanto, anillos), esto debería reflejarse en los datos de radiación cósmica de fondo.
Pero cuando los expertos buscaron esos rastros en los datos de radiación de fondo en las décadas de 2000 y 2010, no encontraron nada. Por eso la mayoría de los cosmólogos creían que la estructura del universo era bastante simple. La investigación sobre la forma del universo se ha estancado por falta de nuevas pistas. Al menos hasta que comience la colaboración COMPACT en 2022.
Muchas más opciones de las esperadas
El equipo COMPACT comparó los datos más recientes sobre la radiación cosmológica de fondo con diferentes topologías del universo y obtuvo resultados sorprendentes en su primera publicación. Entre otras cosas, los investigadores descubrieron que trabajos anteriores habían ignorado muchas variaciones de topologías individuales. En el pasado, es posible que se hayan pasado por alto las formas que podrían haber descrito nuestro cosmos. Además, la colaboración pudo demostrar que la falta de evidencia de anillos en la radiación cósmica de fondo es mucho menos restrictiva de lo que se pensaba anteriormente. Además de los circuitos, puede haber otras firmas en el CMB que indiquen topologías complicadas. Cuáles son exactamente estos serán el tema del trabajo futuro.
Los investigadores apoyaron sus argumentos utilizando tres ejemplos concretos de topologías de espacio plano: un toro ordinario y dos variantes del mismo en las que las superficies cuboides se tuercen antes de unirlas. Los tres tienen agujeros. En el caso del toro común, la colaboración COMPACT pudo confirmar resultados ya conocidos: si nuestro universo tiene forma de toro, los bucles deben ser tan grandes que la luz aún no ha logrado llegar hasta nosotros. Sorprendentemente, esto aparentemente no se aplica a las formas modificadas. Los cálculos de la colaboración muestran que sus ciclos podrían ser significativamente más cortos sin que lo hayamos notado en los datos hasta el momento. La razón de esto son las distorsiones. Esto significa que un universo contiene copias de sí mismo, pero se ven diferentes del original.
Esto significa que el universo puede parecer mucho más complicado de lo que se pensaba anteriormente. Y eso tendría consecuencias de gran alcance. Porque la cuestión de la forma de nuestro cosmos no es sólo de naturaleza académica. Presumiblemente, la topología del espacio-tiempo estuvo determinada por procesos cuánticos que ocurrieron poco después del Big Bang. Si supiéramos más sobre la forma del universo, podríamos aprender más sobre los complejos procesos en su origen; al menos esa es la esperanza.
