Imagina un universo en el que puedas apuntar una nave espacial en una dirección y, finalmente, volver al punto de partida. Si nuestro universo fuera una dona finita, entonces tales movimientos serían posibles y los físicos podrían potencialmente medir su tamaño.
“Podríamos decir: ahora conocemos el tamaño del universo”, dijo el astrofísico Thomas Buchert, de la Universidad de Lyon, Centro de Investigación Astrofísica en Francia, a Live Science en un correo electrónico.
Al examinar la luz del universo temprano, Buchert y un equipo de astrofísicos han deducido que nuestro cosmos puede estar conectado de forma múltiple, lo que significa que el espacio está cerrado sobre sí mismo en las tres dimensiones como una rosquilla tridimensional. Tal universo sería finito y, de acuerdo con sus resultados, todo nuestro cosmos podría ser solo de tres a cuatro veces más grande que los límites del universo observable, a unos 45 mil millones de años luz de distancia.
Un problema sabroso
Los físicos utilizan el lenguaje de la relatividad general de Einstein para explicar el universo. Ese lenguaje conecta los contenidos del espacio-tiempo con la flexión y deformación del espacio-tiempo, que luego les dice a esos contenidos cómo interactuar. Así es como experimentamos la fuerza de la gravedad. En un contexto cosmológico, ese lenguaje conecta el contenido de todo el universo (materia oscura, energía oscura, materia regular, radiación y todo lo demás) con su forma geométrica general. Durante décadas, los astrónomos habían debatido la naturaleza de esa forma: si nuestro universo es “plano” (lo que significa que las líneas paralelas imaginarias permanecerían paralelas para siempre), “cerrado” (las líneas paralelas eventualmente se cruzarían) o “abierto” (esas líneas divergirían).
Esa geometría del universo dicta su destino. Los universos planos y abiertos continuarían expandiéndose para siempre, mientras que un universo cerrado eventualmente colapsaría sobre sí mismo.
Múltiples observaciones, especialmente del fondo cósmico de microondas (el destello de luz liberado cuando nuestro universo tenía solo 380.000 años), han establecido firmemente que vivimos en un universo plano. Las líneas paralelas permanecen paralelas y nuestro universo seguirá expandiéndose.
Pero hay más formas que geometría. También está la topología, que es cómo las formas pueden cambiar manteniendo las mismas reglas geométricas.
Por ejemplo, tome una hoja de papel plana. Obviamente es plano, las líneas paralelas permanecen paralelas. Ahora, tome dos bordes de ese papel y enróllelo en un cilindro. Esas líneas paralelas siguen siendo paralelas: los cilindros son geométricamente planos. Ahora, tome los extremos opuestos del papel cilíndrico y conéctelos. Eso crea la forma de una rosquilla, que también es geométricamente plana.
Si bien nuestras medidas del contenido y la forma del universo nos dicen su geometría, es plana, no nos dicen sobre la topología. No nos dicen si nuestro universo está conectado de forma múltiple, lo que significa que una o más de las dimensiones de nuestro cosmos se conectan entre sí.
Mira a la luz
Mientras que un universo perfectamente plano se extendería hasta el infinito, un universo plano con una topología de múltiples conexiones tendría un tamaño finito. Si pudiéramos determinar de alguna manera si una o más dimensiones están envueltas sobre sí mismas, entonces sabríamos que el universo es finito en esa dimensión. Entonces podríamos usar esas observaciones para medir el volumen total del universo.
Pero, ¿cómo se revelaría un universo con múltiples conexiones?
Un equipo de astrofísicos de la Universidad de Ulm en Alemania y la Universidad de Lyon en Francia examinó el fondo cósmico de microondas (CMB). Cuando se lanzó el CMB, nuestro universo era un millón de veces más pequeño de lo que es hoy, por lo que si nuestro universo está realmente conectado de forma múltiple, entonces era mucho más probable que se envolviera dentro de los límites observables del cosmos en ese entonces. Hoy, debido a la expansión del universo, es mucho más probable que la envoltura se produzca a una escala más allá de los límites observables, por lo que la envoltura sería mucho más difícil de detectar. Las observaciones del CMB nos brindan la mejor oportunidad de ver las huellas de un universo con múltiples conexiones.
El equipo examinó específicamente las perturbaciones, el elegante término físico para golpes y meneos, en la temperatura del CMB. Si una o más dimensiones de nuestro universo se conectaran consigo mismas, las perturbaciones no podrían ser mayores que la distancia alrededor de esos bucles. Simplemente no encajarían.
Como Buchert explicó a Live Science en un correo electrónico, “En un espacio infinito, las perturbaciones en la temperatura de la radiación CMB existen en todas las escalas. Sin embargo, si el espacio es finito, entonces faltan aquellas longitudes de onda que son mayores que el tamaño del espacio”.
En otras palabras: habría un tamaño máximo para las perturbaciones, lo que podría revelar la topología del universo.
Haciendo la conexión
Los mapas del CMB hechos con satélites como el WMAP de la NASA y el Planck de la ESA ya han visto una cantidad intrigante de perturbaciones faltantes a gran escala. Buchert y sus colaboradores examinaron si esas perturbaciones faltantes podrían deberse a un universo con múltiples conexiones. Para hacer eso, el equipo realizó muchas simulaciones por computadora de cómo se vería el CMB si el universo fuera un tres toro, que es el nombre matemático de una rosquilla gigante tridimensional, donde nuestro cosmos está conectado consigo mismo en las tres dimensiones.
“Por lo tanto, tenemos que hacer simulaciones en una topología determinada y comparar con lo que se observa”, explicó Buchert. “Las propiedades de las fluctuaciones observadas del CMB muestran entonces un ‘poder faltante’ en escalas más allá del tamaño del universo”. Una potencia faltante significa que las fluctuaciones en el CMB no están presentes en esas escalas. Eso implicaría que nuestro universo está conectado de forma múltiple, y es finito, en esa escala de tamaño.
“Encontramos una coincidencia mucho mejor con las fluctuaciones observadas, en comparación con el modelo cosmológico estándar que se cree que es infinito”, agregó.
“Podemos variar el tamaño del espacio y repetir este análisis. El resultado es un tamaño óptimo del universo que mejor coincide con las observaciones de CMB. La respuesta de nuestro artículo es claramente que el universo finito coincide mejor con las observaciones que el modelo infinito. Podríamos decir: ahora conocemos el tamaño del universo”.
El equipo descubrió que un universo con múltiples conexiones entre tres y cuatro veces más grande que nuestra burbuja observable coincidía mejor con los datos de CMB. Si bien este resultado técnicamente significa que podría viajar en una dirección y terminar de regreso donde comenzó, no podría lograr eso en realidad. Vivimos en un universo en expansión y, a gran escala, el universo se está expandiendo a un ritmo más rápido que la velocidad de la luz, por lo que nunca podría ponerse al día y completar el ciclo.
Buchert enfatizó que los resultados aún son preliminares. Los efectos de los instrumentos también podrían explicar las fluctuaciones que faltan a gran escala. Aún así, es divertido imaginarse viviendo en la superficie de una rosquilla gigante.
Fuente: Live Science.
