¿Cubo o rosquilla cósmica? Los físicos intentan "escuchar" la forma del cosmos

Alrededor de quince científicos de siete países se han unido en el grupo internacional Compact para responder una de las principales preguntas de la cosmología: ¿dónde termina el Universo y, de hecho, termina en absoluto? En abril de 2024, publicaron un nuevo método de búsqueda en la revista Physical Review Letters . Los investigadores están convencidos de que los intentos anteriores de determinar la forma del espacio cósmico no han agotado todas las posibilidades. Ahora, con computadoras poderosas que hace 10 años solo podían imaginarse, la humanidad finalmente tiene la oportunidad de avanzar en la resolución de este enigma.

Por primera vez, Aristóteles se planteó esta cuestión en el año 350 a.C. El filósofo lo consideraba "el más importante en la búsqueda de la verdad". Observando los cuerpos celestes, notó que se movían alrededor de la Tierra en órbitas circulares. Y dado que un cuerpo que se mueve en un círculo no puede ser infinito, entonces el Universo también debe tener límites.

Las reflexiones del filósofo antiguo podrían parecer poco convincentes, pero su conclusión quizás fuera correcta. Más de dos mil años después, todavía no sabemos con certeza si el Universo está limitado en el espacio. Podría ser infinito, extendiéndose en todas las direcciones sin límites, o estar cerrado en una forma compacta, parecida a una esfera o a un toro, una figura geométrica con forma de rosquilla.

"El tamaño y la forma del Universo son una de las preguntas más importantes y fundamentales que podemos hacernos", dice Neil Cornish, astrofísico de la Universidad Estatal de Montana, quien no forma parte de la colaboración Compact. Según él, los científicos han recopilado suficientes datos como para llevar a cabo un análisis lo más completo posible.

En 1998, en su artículo Círculos en el cielo, Neil Cornish y Glenn Starkman propusieron un método para estudiar la topología cósmica, el cual definió la dirección de las investigaciones durante muchos años.

Ellos sugirieron que la luz puede llegar a la Tierra por diferentes caminos, viajando casi durante toda la existencia del Universo. De manera similar a un avión que puede volar desde España a Nueva Zelanda por dos rutas: hacia el este, a través de Asia, o hacia el oeste, a través de América.

Para comprender la posible forma del cosmos, los físicos utilizan el modelo de un toro tridimensional. En dos dimensiones, un toro se ve como una rosquilla: la luz se mueve ya sea a lo largo de su circunferencia exterior o a través del agujero central, regresando invariablemente al punto de partida. La versión tridimensional se puede imaginar como un cubo con propiedades inusuales: si se sale por una de sus caras, se aparece inmediatamente en el lado opuesto.

Los primeros indicios de esta geometría inusual del cosmos fueron buscados en la radiación de fondo de microondas, la luz más antigua del Universo, que nos llega desde todas las direcciones. Esta radiación contiene información sobre cómo era el cosmos apenas 380.000 años después del Big Bang, el momento en que los fotones pudieron viajar libremente a través del espacio por primera vez.

Cornish y sus colegas examinaron meticulosamente los datos de la sonda espacial WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), tratando de encontrar círculos idénticos en la imagen de la radiación de fondo. Sin embargo, el estudio de 2004 no detectó tales estructuras. Cuando, aproximadamente diez años después, el observatorio espacial Planck retomó la investigación, el resultado fue el mismo: no se encontraron signos de que el Universo estuviera cerrado.

El hecho de que no se hayan encontrado estructuras circulares características puede significar dos cosas. O bien el Universo es realmente infinito, o simplemente es mucho más grande que la región que podemos observar. En este último caso, la esfera de última dispersión —la superficie desde la cual nos llega la radiación relicta— simplemente no alcanza los límites de nuestro mundo.

El nuevo enfoque del grupo Compact se basa en una idea del matemático Mark Kac, planteada en 1966. Yashar Akrami, del Instituto de Física Teórica en Madrid, la explica de la siguiente manera: "Imaginen que cierran los ojos y escuchan el sonido de un tambor. ¿Podrían, analizando las frecuencias y amplitudes de ese sonido, determinar la forma del instrumento?" De manera similar, los científicos esperan "escuchar" la forma del Universo, estudiando las ondas acústicas que dejaron su huella en la radiación de fondo.

Si se examina cuidadosamente la radiación relicta, se puede notar que su temperatura varía ligeramente de un punto a otro: algunas regiones son un poco más cálidas que el promedio y otras, más frías. Estas diferencias surgieron debido a las ondas sonoras que se propagaban en el plasma del Universo joven. Las propias ondas fueron causadas por fluctuaciones cuánticas, pequeñas vibraciones en la estructura del espacio que se amplificaron durante la rápida expansión en los primeros instantes después del Big Bang. El proceso es similar a las ondas en la superficie de un estanque después de arrojar piedras de diferentes tamaños.

Craig Copi, del equipo Compact, compara su trabajo con restaurar una partitura musical a partir de una grabación antigua y de baja calidad. Diferentes geometrías del Universo pueden amplificar ciertas frecuencias y suprimir otras, al igual que una flauta piccolo y una tuba, aunque ambas sean instrumentos de viento, suenan completamente diferentes.

Uno de los enigmas más interesantes de la radiación relicta está relacionado con la correlación de temperaturas en distintos puntos. Si se mide la temperatura en dos ubicaciones separadas por un ángulo menor a 60 grados, a menudo se encuentra que si en un punto está por encima del promedio, en el otro también. Pero al aumentar el ángulo, esta correlación desaparece. Los científicos aún no pueden explicar por qué sucede esto.

Para desentrañar este misterio, los investigadores comenzaron con las opciones más simples: diecisiete tipos de espacios planos. El más básico de ellos, denominado E1, representa un toro tridimensional. Nueve de estos espacios son orientables: si un observador se mueve a través de un camino cerrado en ellos, regresa al punto de inicio en la misma orientación.

El año pasado, el grupo Compact publicó patrones para las nueve topologías planas orientables. A principios de este año, deben publicarse los datos sobre las ocho configuraciones no orientables restantes. En estos espacios, al igual que en la banda de Möbius, no se puede determinar qué es arriba y qué es abajo: tras dar un giro completo, el observador se encuentra en una posición invertida.

Paralelamente, Akrami y su estudiante de doctorado están investigando espacios con curvatura positiva, similares a una esfera. El equipo no se limita al estudio de la radiación relicta. Los científicos planean utilizar también datos sobre la distribución de galaxias en el espacio. A diferencia de la radiación relicta, que nos ofrece una imagen bidimensional, los cúmulos de estrellas llenan un volumen, lo que significa que pueden proporcionar información mucho más detallada sobre la estructura del cosmos.

En los próximos años, nuevos telescopios espaciales —Euclid, Roman y Spherex— elaborarán mapas detallados de la distribución de galaxias. Estos ayudarán a verificar cómo diferentes configuraciones geométricas afectan la disposición de los objetos cósmicos.

Glenn Starkman cree que nadie puede predecir si la búsqueda tendrá éxito. Sin embargo, está seguro de que, si el Universo tiene una forma inusual, esto podría explicar no solo la extraña característica de la radiación relicta con su límite de correlación de 60 grados, sino también las enigmáticas diferencias en las estructuras observadas por encima y por debajo del plano de la órbita del Sistema Solar. Hasta ahora, nadie ha propuesto otras explicaciones convincentes para estas anomalías.