NeoFronteras

Cuasar PKS1413+135-E. Foto: Eric Perlman.

Según unas medidas basadas en cuasares distantes quizás el espacio es menos espumoso de lo que los físicos han creído hasta ahora.
Se sabe que a escalas temporales cortísimas se viola la conservación de la energía y pares partículas antipartículas aparecen de la nada durante un tiempo muy corto permitido por el principio de incertidumbre de Heisenberg. De hecho su efecto se pudo medir hace ya algún tiempo y se admite como un hecho real.
En los sesenta se propuso que, al igual que las partículas, quizás el propio espacio-tiempo siente también los efectos mecanicocuánticos, aunque a escalas muy pequeñas. Se cree entonces que el espacio a distancias del orden de la longitud de Planck (1.6 x 10^-35 m) no es plano y que forma una suerte de espuma espacial debido a las fluctuaciones cuánticas del propio espacio-tiempo a esas escalas.
Los efectos de estas fluctuaciones serían más dramáticos de lo que en principio pueda parecer, pues el arriba y el abajo, o la izquierda y derecha estarían confundidos a esas escalas, incluso la frontera entre el antes y el después también sería borrosa. La idea, aunque ya antigua, no se ha podido probar directamente hasta ahora porque nuestros aceleradores de partículas no alcanzan a explorar semejantes distancias tan infinitesimales por falta de energía. Tampoco tenemos una buena teoría cuántica de la gravedad que unifique la mecánica cuántica y la relatividad general, y que nos ayude a explicar este comportamiento; pero es de suponer que alguna de estas teorías debería de predecir este efecto. De hecho, las teorías cuánticas de la gravedad de las que disponemos actualmente, y que aun no se han comprobado experimentalmente, predicen un determinado nivel de fluctuaciones del espacio-tiempo a la escala de Plank.
Ahora han podido medir indirectamente, y hasta cierto punto, el efecto causado por estas fluctuaciones de espacio. Para ello han utilizado imágenes tomadas por el Hubble de un cuasar distante.
Un cuasar es el núcleo muy activo de una galaxia muy lejana. La luz proveniente de estos quasar ha estado viajando miles de millones de años luz hasta llegar hasta nosotros. Esta luz, por tanto, ha recorrido unas distancias inmensas en las que el efecto promedio acumulado de esas pequeñísimas fluctuaciones se puede notar.
Según los resultados parece ser que el espacio sería menos espumoso que lo que se ha venido pensando hasta ahora.
La característica que han observado para medir este efecto ha sido el patrón de difracción llamado anillo de Airy que se observa alrededor de la imagen de uno de estos cuasares. Según esta información la luz habría viajado por un espacio relativamente en calma, en lugar de por un espacio muy espumoso y activo.
En la imagen adjunta se puede ver una combinación lineal de dos fotos tomadas (y en negativo) para esta investigación. En ella se puede ver cómo el anillo de Airy rodea la parte central del cuasar haciendo que parezca un arco iris en lugar del punto que debería de ser.
Según Y. Jack Ng, miembro del equipo que ha estudiado este efecto, la detección de la espuma del espacio-tiempo nos permitirá vislumbrar la estructura del espacio-tiempo, y los datos experimentales obtenidos mediante este sistema permitirán apuntar hacia una teoría de la gravitación cuántica correcta.
Ng y sus colaboradores W.A. Christiansen y H. van Dam han puesto a prueba los posibles modelos de espuma espacio-temporal. El equipo comparó dos modelos de espuma de espacio-tiempo basados en las fluctuaciones de la geometría del espacio-tiempo con los datos experimentales obtenidos.
El primer modelo es consistente con el principio holográfico, que afirma que la máxima información que cualquier región del espacio puede almacenar es proporcional a la superficie, como en un holograma, en lugar de a su volumen como siempre hemos creído.
El segundo modelo denominado de camino al azar estipula que las sucesivas fluctuaciones son totalmente aleatorias y no están correlacionadas.
El modelo holográfico permite menos turbulencias del espacio-tiempo comparado con el modelo de camino al azar.
El equipo analizó la luz proveniente del objeto PKS1413 + 135 en busca de un anillo de Airy porque la presencia de este anillo limita la cantidad de luz dispersada que puede ser causada por la espuma del espacio-tiempo. El cuasar se encuentra a 4000 millones de años de nuestra galaxia y en esa distancia el efecto de las fluctuaciones del espacio-tiempo se debe de acumular lo suficiente sobre la luz que viaja desde allí, amplificándose durante el viaje.
Sólo se pueden utilizar cuasars para medir esto porque son objetos casi puntuales desde nuestro punto de vista (su nombre deriva de objetos cuasiestelares) y se encuentran a distancias enormes. Las galaxias lejanas corrientes tienen mayores tamaños angulares y sus estructuras intrínsecas enmascaran los efectos producidos por la espuma espaciotemporal y no pueden ser utilizadas para medir este efecto.
Con el telescopio espacial Hubble se midió el anillo de Airy que circunda este objeto y como resultado de las medidas se dedujo que el modelo del camino aleatorio queda rechazado. Pero debido a la falta de resolución no se pudo comprobar si el modelo holográfico encajaba con las medidas.
Los telescopios y sistemas interferométricos que ahora se están diseñando y construyendo alcanzarán la resolución necesaria para este tipo de observaciones pronto.
Este resultado tiene repercusiones sobre otras áreas de la Física porque la materia ordinaria sólo contiene una parte de información lo suficientemente densa como para mapear el espacio-tiempo con un nivel de consistencia igual al modelo de camino aleatorio y los físicos sugieren que debe de haber otras clases de materia o energía para las cuales el Universo puede mapear la geometría del espacio-tiempo. Esto representa una prueba indirecta más de la existencia de materia y energía oscura, y son independiente de las que ya poseemos.
Aunque el Universo no parezca tan espumoso como se pensaba, al menos los investigadores han acotado cómo de espumoso puede ser el espacio-tiempo.

Referencia: Christiansen, W.A., Ng, Y. Jack, y van Dam, H. Probing Spacetime Foam with Extragalactic Sources. Physical Review Letters. 96, 051301 (2006).