- Yashar Akrami, investigador del IFT y de la colaboración Compact, explica para el periódico The Guardian por qué el universo podría tener forma de donut.
- Compact (Collaboration for Observations, Models and Predictions of Anomalies and Cosmic Topology) es un equipo internacional que trata de encontrar la forma que tiene nuestro universo.
- En esta búsqueda participan proyectos como el telescopio espacial Euclid, que recientemente nos obsequió con sus primeras imágenes de cielo profundo.
Madrid, 11 de junio de 2024.– Yashar Akrami es un investigador del Instituto de Física Teórica IFT UAM/CSIC, cuyo trabajo en cosmología abarca una amplia cantidad de contenidos. Entre ellos está la topología cósmica, el estudio de la forma de nuestro universo, que investiga con la colaboración internacional Compact (Collaboration for Observations, Models and Predictions of Anomalies and Cosmic Topology). Akrami, junto a otros científicos, han explicado en un artículo publicado en The Guardian en qué consiste esta rama de la cosmología, qué podría implicar para nuestro entendimiento del universo, y cómo se está investigando.
La topología del universo
La topología es un campo de las matemáticas que estudia cómo están conectadas las partes de un objeto. Por ejemplo, un donut y una taza tienen la misma topología, porque el donut tiene un agujero y la taza tiene un asa, equivalente a un “agujero”. Básicamente, uno sería capaz de moldear un donut de arcilla para que tuviera la misma forma que la taza sin necesidad de romperlo. Así se puede entender la topología de un cuerpo. Cosmólogos como Akrami aplican esta disciplina matemática a la física para averiguar la forma de nuestro universo.
Una posibilidad es que tenga forma de donut, aunque los científicos llaman a esta forma un toro-3. Y no es un donut como lo solemos entender, es hiperdimensional. Comparar un donut con un toro-3 es como comparar el dibujo de un donut con uno de verdad, le falta una dimensión. Pero esta es tan solo una posibilidad de muchas. “Estamos intentando encontrar la forma del universo” dice Akrami respecto a su trabajo con Compact.
Esta búsqueda basa mucho en estudiar la curvatura del espacio. Einstein ya nos enseñó que el espacio-tiempo no es necesariamente plano, puede cambiar de forma, por la presencia de un objeto con masa, por ejemplo. Un universo con curvatura plana y de tamaño infinito es el más trivial, pero el espacio plano podría coincidir con otras topologías, llamadas no triviales, que tienen una mayor complejidad. Hay 18 posibilidades para un universo finito, pero sin bordes, es decir, si viajaras más allá de la escala del universo, volverías al punto donde empezaste. Con tres dimensiones espaciales, como es el caso de nuestro universo, la topología más simple de este tipo es el toro-3, el donut. Se observaría como una caja de la que, al salir por cualquier cara, volverías a entrar por la opuesta.
Reflejos infinitos, la prueba observable del donut
Esta topología tiene una consecuencia que podría observarse: si fuera posible mirar más allá del universo, si éste fuera finito y suficientemente pequeño, un observador vería infinitas copias de sí mismo. Sin embargo, esto requiere que la velocidad de la luz sea infinita. Con el valor finito de la velocidad de la luz, desde la Vía Láctea se podría observar una forma pasada de nuestra galaxia. Además, como está en movimiento, se vería en otro lugar. Esto es una complicación para las observaciones, ya que tendríamos que conocer muy en detalle la historia de la Vía Láctea para saber si realmente es lo que hemos observado. Y hay otras topologías además del toro-3, más complejas, que tienen distintas variaciones de este fenómeno, como ver estos “reflejos” distorsionados, dados la vuelta, o desde direcciones diferentes, como desde otra cara del “cubo” que no fuera la opuesta. En cualquier caso, este tipo de imágenes no han sido observadas todavía, pero no se descarta que puedan encontrarse, y su investigación continúa.
El papel del fondo cósmico de microondas
Otra búsqueda de este tipo de imágenes se basa en observar el fondo cósmico de microondas. Si miramos suficientemente lejos, desde todas las direcciones nos llega una señal de microondas muy uniforme. Éste es el fondo cósmico de microondas, y se corresponde con la primera luz del universo, cuando los fotones pudieron moverse libremente por primera vez. Es casi igual en todas direcciones, pero tiene ligeras variaciones en su temperatura, que se ven reflejadas en la estructura del universo a mayor escala. Nos muestra las pequeñas desviaciones de densidad que había cuando el universo era mucho más pequeño, que hoy en día se han traducido en una gran estructura de filamentos, en lugar de encontrar toda la masa del cosmos repartida uniformemente.
Las imágenes duplicadas que podrían demostrar una topología no trivial del universo podrían encontrarse en este fondo cósmico de microondas. Esto no sería algo sencillo de detectar, ya que es tan uniforme, con diferencias muy pequeñas. Pero se pueden buscar patrones en estas leves variaciones. Aún no se han encontrado, pero tampoco se descarta la posibilidad de que se puedan observar. Todos los datos encontrados hasta ahora son compatibles con muchas teorías respecto a la forma del universo. Akrami comenta “No hemos descartado tantas topologías interesantes como algunos pensaban”.
La teoría de cuerdas
Pero la idea de que el universo tenga forma de donut parece menos intuitiva que un universo plano e infinito, podría ser mucha complejidad innecesaria. Esto es algo que estos científicos también se han planteado y han sabido rebatir. Para empezar, realmente es mucho más complejo que en el Big Bang se pasara de la nada a un universo infinito, que pasar de la nada a algo compacto, pequeño.
También hay pruebas en nuestro entendimiento teórico del universo. La teoría de cuerdas, popular candidata a teoría del todo que explique la naturaleza más fundamental de las partículas y las fuerzas, podría indicarnos que el universo es finito. Describe que no tenemos solo cuatro dimensiones, las tres espaciales y la temporal, sino 10, como mínimo. Pero algunas están “compactadas” y no las experimentamos. Akrami defiende que es más razonable considerar que todas las dimensiones son compactas, y no solo algunas mientras cuatro son infinitas. Tanto si detectamos un universo compacto como si descubriéramos que sí tenemos dimensiones infinitas, obtendríamos información útil para descartar versiones de la teoría de cuerdas en favor de otras. A pesar de que es una búsqueda difícil, sería un gran descubrimiento.
Proyectos en la búsqueda de la forma del universo
Esta investigación es algo complejo en parte porque no se sabe si se podrán encontrar pruebas observables. El universo podría ser infinito, o finito pero en una escala mayor de la que podemos observar, y no sabríamos distinguir ambas posibilidades. Sin embargo, el fondo cósmico de microondas tiene algunos patrones que se esperaría de un universo finito, así que esta búsqueda merece la pena.
Aunque haya 18 posibles topologías, éstas tienen infinitas variaciones, no podemos comprobar todas. Se trata de descartar las más improbables, para trabajar solo con las más prometedoras. Algo que ayudará es la obtención de un mapa más detallado del fondo cósmico de microondas. Esto es un trabajo que se está realizando en un proyecto internacional, CMB fase 4, con la colaboración de varios telescopios de Chile y de la Antártida.
Incluso si el fondo cósmico de microondas no fuera suficiente para probar la topología del universo, hay datos astronómicos que pueden utilizarse con este fin. Todo en el universo se vería afectado por su topología. El telescopio espacial Euclid, que reveló sus primeras imágenes el pasado 23 de mayo, y el observatorio SKA son algunos de los instrumentos que están trabajando en mejorar nuestro entendimiento de todos los objetos del universo. Si conseguimos un censo de toda la materia del universo, podríamos entender la topología que le afecta. Akrami dice que así quizás podríamos conseguir un mapa de todo el universo.