NeoFronteras

¿Vivimos en un universo “tipo Pringle”?

Área: Física — sábado, 21 de septiembre de 2013

Una nueva idea sugiere que el Universo, aunque aparente ser plano, es en realidad, visto a mayor escala, un universo abierto de geometría hiperbólica similar a una silla de montar.

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Pasan las décadas y seguimos sin saber cuál es la forma del Universo. Cuando ya creíamos que la geometría del Universo era plana viene un estudio nuevo y nos dice que quizás sea hiperbólica. Es decir, que si el Universo tuviera sólo 2 dimensiones espaciales entonces tendría la forma de una silla de montar o la de una patata Pringle.
Un grupo de investigadores ha analizado los datos del fondo cósmico de microondas (FCM) recolectados por el WMAP en 2004 y por la misión Planck y han llegado a la conclusión de que son compatibles con un universo de geometría hiperbólica.
La geometría hiperbólica se propuso en su día para un universo en el que la masa-energía contenida en el mismo es bastante inferior a la necesaria para detener la expansión, mientras que una masa-energía justa para detener la expansión en un tiempo infinito (masa crítica) correspondería a una geometría plana.
En realidad sería muy fácil saber la geometría del Universo. Bastaría trazar un triangulo lo suficientemente grande y medir sus ángulos interiores. Si la suma de esos ángulos fuera menor de 180 entonces estaríamos en un universo hiperbólico y si miden exactamente180 entonces sería plano. Lo malo es que no podemos viajar distancias cósmicas para comprobar este aspecto.
Pero la geometría plana es la favorita de los cosmólogos porque es la que predice la hipótesis inflacionaria. Esta hipótesis se introdujo para solucionar la isotropía y homogeneidad del Universo. La idea consiste en que el Universo sufrió un periodo muy corto de rápida expansión cuando este tenía 10-35 segundos de edad. Esta inflación haría aplanarse al Universo y amplificaría las pequeñas fluctuaciones presentes en ese momento (lo que permite a la gravedad hacer crecer galaxias a partir de ellas). Pero además solucionaría el problema de la homogeneidad, pues lo que observamos provendría de una región tan pequeña que ya estaría termalizada y de ahí la homogeneidad observada.
La inflación estaría provocada por un campo escalar mediado por un bosón aún por descubrir al que se ha llamado inflatón. Algunos creen que ese papel podría haber sido desempeñado por un/el bosón de Higgs.

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El fondo cósmico de microondas fluctúa más al lado derecho de la línea oscura en esta proyección elíptica de la esfera celeste. Fuente: ESA, Planck.

Esas fluctuaciones primordiales serían precisamente las irregularidades que WMAP y Planck han observado en le FCM. Hay que recalcar que lo que vemos en el FCM es una imagen que ha estado inalterada desde que se formó, unos 400.000 años después del Big Bang, cuando el Universo se hizo transparente por primera vez. Cualquier agrupación de materia en ese momento que midiera 400.000 años luz o menos de ancha empezó a agregarse debido a su propia gravedad. Las agregaciones mayores no, porque todavía se no habrían visto a sí mismas.
Pero esto nos da precisamente un triángulo isósceles cuyo lado pequeño mide esos 400.000 años luz y sus lados grandes miden unos 13.000 millones de años luz, que es la distancia de la Tierra al horizonte observacional del FCM. Además esto está basado sólo en la causalidad de que la gravedad se propaga a la velocidad de la luz y poco más. Así que, si miramos al FCM y comprobamos el tamaño de las estructuras que permitieron la agregación gravitatoria, entonces podemos saber si esos ángulos del triángulo miden 180 grados o menos. A partir de los datos de WMAP se midió esto mismo y se llegó a la conclusión de que el Universo es plano. De hecho, esto mismo ya se midió con BOOMERANG (una misión en globo de tipo meteorológico). Pero aquí está el pero. Según estas medidas el Universo es plano dentro de un error del 1%.
Pero a través de las medidas de WMAP y Planck se han ido acumulando pruebas de que el FCM presenta ciertas anomalías. Una de ellas es que hay una asimetría entre los dos hemisferios del FCM, lo que significa que la densidad de materia y energía parece variar más fuertemente en un lado que en otro. En concreto, las fluctuaciones son un 10% más grandes en un lado que en otro dentro de cierta significación estadística (podría ser que al final todo fuera una fluctuación estadística sin significación física). Esto, en todo caso, representaría una dirección privilegiada.
Andrew Liddle, de la Universidad de Edimburgo, y sus colaboradores creen que esta supuesta dirección privilegiada podría deberse a algo físico. Para ello se han inspirado en un trabajo del 2008 de científicos del Caltech liderados por Sean Carroll. En ese trabajo se explicaba la existencia de una asimetría como un efecto debido a que sólo vemos una parte del Universo (el universo visible) y que el Universo poseería variaciones en la densidad de mayor escala que el tamaño del universo observable. Para ello tuvieron que introducir, además del campo escalar de tipo “inflatón”, otro campo escalar de tipo “curvatón” que generaba perturbaciones en la curvatura. El efecto sobre el FCM sería una super-imposición de fluctuaciones aún más grandes sobre las fluctuaciones tradicionales presentes. Pero no daban explicación para la génesis de este nuevo campo.
Liddle y sus colaboradores dicen en su artículo que las fluctuaciones del curvatón estarían ligadas intrínsecamente a la geometría del propio Universo. En concreto, dicen que el Universo sería un universo abierto de tipo hipérbólico de geometría negativa.
Como ya hemos mencionado, el Universo es plano con un error de un 1%, pero este error es suficiente como para permitir una masa-energía del Universo que sea un tercio menor a la crítica. El Universo parecería plano debido a que sólo vemos el universo visible, pues la luz no ha tenido tiempo de mostrarnos lo que hay más allá. En realidad, según este trabajo, el Universo en su conjunto sería abierto e hiperbólico.
Liddle y sus colaboradores calculan además el radio del superhorizonte de curvatura. Este superhorizonte estaría más allá del universo observable y su radio determinaría la longitud de onda de las fluctuaciones del curvatón. Estiman que este radio sería menos de diez veces el radio del universo observable. Teniendo en cuenta el margen del 1%, entonces ese radio es unas 3 veces el radio del universo observable.
Naturalmente hace falta encontrar algún tipo de medición relacionada con todo esto que se pueda comprobar experimentalmente.
Según los autores del trabajo, estas fluctuaciones del curvatón pueden introducirse en otras teorías inflacionarias propuestas en los noventa. Teorías que sugerían que el universo se forma como una burbuja dentro de un metaverso. En estas teorías nuestro universo burbuja aparece gracias al efecto túnel mecánico-cuántico desde un estado de relativa baja energía, pero en el que está atrapado al ser un estado que normalmente se llama falso vacío. Ese estado de falso vació está rodeado de barreras de energía mayor y no puede caer automáticamente a un estado de vacío de energía aún menor. Gracias al efecto túnel escapa del estado de falso vacío y pasa a ese estado de menor energía. La energía que resta se usa para producir el Big Bang, que consiste en una burbuja que crece y se expande a gran velocidad en el metaverso. Para nosotros el universo visible parece homogéneo e isótropo y es de tipo abierto. La cantidad de inflación dentro de la burbuja determina cómo de aplanado será el Universo
Puede haber otras burbujas expandiéndose en el metaverso, pero nuestra burbuja casi nunca interaccionará con esas otras burbujas ni tampoco las podemos ver. Las paredes de las burbujas se expanden a la velocidad de la luz, así que nunca las podremos alcanzar. Y si algo del metaverso entrara en nuestro universo, desde nuestra perspectiva el suceso parecería darse en el momento del Big Bang y se mezclaría con el resto de la materia primigenia. En la actualidad ese tipo de intrusión pasada se notaría como un cúmulo de galaxias excesivamente grande.
Pero los eventos iniciales que indujeron la formación de nuestra burbuja podrían haber causado fluctuaciones en las paredes de la burbuja de nuestro universo y dejado huella en las fluctuaciones de curvatón.
Jugando con estas ideas Liddle y sus colaboradores muestran que cuando la inflación se da en un universo burbuja de este tipo se produce de manera natural la asimetría observada en el FCM. Este tipo de modelo siempre produce un universo abierto de tipo hiperbólico, aunque desde dentro del universo visible interior parezca plano.
Liddle admite que la teoría es altamente especulativa y que los datos pueden forzar a abandonarla. Quizás los datos del Planck que se liberarán al año que viene puedan ayudar en algo o quizás la futura misión Euclides pueda comprobar este nuevo modelo.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4206

Fuentes y referencias:
Nota en Physics World.
Artículo de Liddle.
Artículo de Carroll.
Ilustración: Wikimedia Commons.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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7 Comentarios

  1. dr. Thriller:

    También podría ser que, simplemente, lo que nosotros pensamos que es una radiación cósmica, nunca mejor utilizada la expresión, universal de fondo de microondas, no sea sino un mero ruido local, o que esté fuertemente interferido por un mero ruido local. Ese escandaloso artefacto que aparece tiene como explicación más obvia precisamente esto. Siempre he tenido curiosidad de cómo se filtran las señales del fondo cósmico, porque es claro que existen fuentes de microondas locales, que obviamente deben estar caracterizadas y filtradas, pero no es un tema que suela ventilarse a nivel de divulgación.

  2. NeoFronteras:

    El filtrado, o la reducción de datos en otras ramas de las Astronomía, suele ser un horror. Es una de las razones por las que los datos de Planck tardan tanto en publicarse. Hay margen para que esa anisotropía sólo esa un espejismo estadístico.

  3. thetimethespaceandandtheman::

    “La idea consiste en que el Universo sufrió un periodo muy corto de rápida expansión cuando este tenía 10-35 segundos de edad. Esta inflación haría aplanarse al Universo y amplificaría las pequeñas fluctuaciones presentes en ese momento (lo que permite a la gravedad hacer crecer galaxias a partir de ellas). ”

    Yo no se si es que yo soy un absoluto ignorante, o es que a alguien se le ha ido algo la sensatez.

    ¿Como podemos saber, en esa escala de tiempo, en el punto original de supuesta creacion de todo un universo, las leyes que habia?.

    ¿Como podemos aceptar de simples fluctuaciones cuanticas (Las que conocemos hoy dia en el vacio) cuya masa-energia es la que es (pequeña) punto, que ‘lo que permite a la gravedad hacer crecer galaxias a partir de ellas’?, ¿!!!!!!!!!?.

    Recuerdo una charla a la que asisti de andrei linde.

    Algo asi ‘explicaba’, como que todo el universo se habia podido crear a aprtir de ‘solo’ unos cuantos MILIGRAMOS DE MASA, ‘gracias a la inflaccion……………..’.

    ¿Soy yo el uncio que se atreve a decir que esto suena a bestialidad mas alla de todo lo aceptable en ciencia?.

    ¿Un universo de unos milgramos?.

    ¿Unas ‘fluctuaciones cuanticas’, creando galaxias?.

    ¿Sentirnos ‘seguros’ de las leyes que habia en 10^(-35) segunds, tras el ‘comienzo de todo un universo’?.

    ¿Y que produjo ‘la inflaccion’ de todo un universo, en solo 10^(-35 segundos)?.

    ¿Tenemos capacidad para creer que en ese entorno, ‘podia haber bosones’?.

  4. thetimethespaceandandtheman::

    “Siempre he tenido curiosidad de cómo se filtran las señales del fondo cósmico, porque es claro que existen fuentes de microondas locales, que obviamente deben estar caracterizadas y filtradas”

    Dr. Triller, poco pero algo puedo ayudarte en esa linea.

    En primer lugar la directividad de nuestras antenas.

    Unos 3ºK de maximo en la distribucion de energia, implica frecuencias del orden de 10-100 Ghz con apreciable energia.

    Es decir, longitudes de ondas de entre 3 centimetros, y 3 milimetros.

    Nuestros radiotelescopios interfereometricos de esas bandas (El VLE de New-MExico, el ALMA en Chile), tienen bases entre antenas del orden de decenas de kilometros.

    Frente a longitudes de ondas de 3 centimetros a 3 mm, puedes comprnder que consiguen una resolucion angular impresionante (Milesimas de arco-segundos, 2·pi arcosegundo son 360 grados).

    Puedes comprender que apntando , durante las horas de la noche, todo el año, ahí fuera, podriamos saber si es un ruido local, hallando una direccion con máximo.

    Es cierto que si estuvieramos en el interior de una nube galactica a 3ºK, exactamente isotropa, y en su centro, ‘veriamos la procedencia isotropa’ que vemos.

    Pero es que los 3ºK (2.7 creo que eran) se habian precalculado a aprtir de la constante de hubble, y de las mas lejanas fuentes (Y de ahí la vejez del universo).

    Es decir, que casualidad que la vemos isotropa en direccion (Que lo podria hacer una local que fuese perfectamente uniforme, pues sino veriamos claros maximos-minimos fuertes), y ademas, con el maximo predicho en base a su vejez, (Y la teeoria de aprticulas inciales, creo que la luz que hizo falta para detener la nucleo-sintesis).

    Saludos.

    J.

  5. Dr. Thriller:

    No, no podríamos xD. Y no podemos, simplemente encajamos las cosas en el paradigma mientras se pueda. De hecho, no se gasta una pasta en colocar satélites en puntos de Lagrange si no es para asegurarse que ninguna fuente terrestre está siendo responsable de todo o parte de lo que vemos.

    La direccionalidad no sirve para nada cuando tratamos con fenómenos que vienen teniendo mecánicas tipo ruido de fondo. En realidad el filtrado tiene mucho de cocina, como las encuestas, y se hace partiendo de unas premisas, que naturalmente están en consonancia con el paradigma, es decir, con el punto adonde queremos llegar.

    No son grados Kelvin, son Kelvin a secas. 3K.

  6. NeoFronteras:

    thetimethe…:
    Sobre su comentario número 3 habría que decir que la hipótesis inflacionaria, guste o no, es la mejor explicación que hay ahora para justificar la isotropía y homogeneidad del Universo. Hasta que encontremos una mejor, claro.
    La fracción de segundo que se asume para su entrada en funcionamiento es lo mejor que encaja con el Big Bang, pues es un periodo previo a la física conocida testable con los colisionadores.
    Por lo demás, lo que dice sobre los miligramos no tiene sentido. Quizás Liddle se refería a una densidad o algo así.
    De todos modos hay mecanismos que permite la creación de toda la materia. Si sumamos la energía oscura, la masa total del universo y su energía gravitatoria da cero, así que es posible un Big Bang desde “la nada” (o más bien desde un vacío de energía nula).

  7. lluís:

    De Sitter ya estudió espacio-tiempos arqueados,dentro de estos modelos hay un espacio-tiempo Anti-de Sitter que tiene curvatura negativa y, justamente, se parece más a una patata “pringle” que a una esfera.Por cierto, los teóricos de cuerdas se tomaron este modelo anti-de-Sitter bastante en serio y lo estudiaron en profundida. El espacio anti-de-Sitter tiene 5 dimensiones y de manera un tanto misteriosa todo lo que ocurre en esta teoría 5D, tiene su análogo en la teoría del espacio-tiempo tetradimensional. Ligado a todo esto también se ha considerado que podríamos hallaranos en una sima tridimensional del espacio, indistintamente del hecho de que el Universo se comportara como si fuera de mayor dimensionalidad; es decir que bien podríamos estar viviendo en una región aislada del universo, cuya región tendría tres dimensiones espaciales y que formaría parte de un espacio-tiempo de dimensión superior.Lo cual podría conducirnos a la teoría de los mundos-brana, de tal modo que esa patata “Pringle” (nuestra región de Universo)no sea sino una brana de las muchas que constituirían el ” metaverso”. Puestos a especular, toma especulación.
    Por cierto, esa hipérbole paraboloide(la silla de montar) que ilustra esta nota, quizás me equivoque, pero me recuerda el asunto de la metaestabilidad del universo.

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