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6 de Noviembre de 2019
Cosmología

¿Qué forma tiene el universo? Un nuevo estudio mantiene que estábamos muy equivocados

Los cosmólogos, casi sin excepción, creen que el universo es plano. Un nuevo análisis sostiene que es cerrado.

En un universo plano, como el de la izquierda, una línea recta se extiende hasta el infinito. Un universo cerrado, a la derecha, se dobla como la superficie de una esfera. En él, una línea recta acabará por volver a su punto de partida [Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine].

Un artículo publicado en Nature Astronomy sostiene la desafiante idea de que el universo se curva y se cierra sobre sí mismo como una esfera, en vez de extenderse como si fuese una hoja de papel, tal y como contempla el modelo cosmológico estándar. Los autores han analizado un importante conjunto de datos cosmológicos y han llegado a la conclusión de que, con una certidumbre de más del 99 por ciento, estos respaldan que el universo es cerrado, pese a la existencia de otros indicios que señalan que es «plano» (sin curvatura aparente).

Los datos en cuestión, obtenidos por el telescopio espacial Planck y relativos a la luz conocida como fondo cósmico de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), «apuntan claramente hacia un modelo cerrado», dice Alessandro Melchiorri, de la Universidad de Roma La Sapienza. Melchiorri es coautor del nuevo artículo junto con Eleonora di Valentino, de la Universidad de Manchester, y Joseph Silk, de la de Oxford. Según ellos, la discordancia entre los datos del CMB, que dan a entender que el universo es cerrado, y los demás datos, que apuntan a una geometría plana, representa una «crisis cosmológica» que exige un «replanteamiento radical».

Sin embargo, el equipo de científicos encargado del telescopio Planck llegó a conclusiones diferentes en su análisis de 2018. Anthony Lewis, cosmólogo de la Universidad de Sussex y miembro del equipo del Planck que trabajó en dicho análisis, sostiene que la explicación más simple es que, en realidad, la característica que para Di Valentino, Melchiorri y Silk constituye una prueba de un universo cerrado no sería más que una fluctuación estadística. Lewis y otros expertos aseguran que ya habían examinado detalladamente la cuestión junto con otros problemas presentes en los datos.

«No cabe duda de que esos síntomas existen en algún nivel», dice Graeme Addison, cosmóloga de la Universidad Johns Hopkins que no participó en el análisis de Planck ni en las nuevas investigaciones. «Solo se discrepa en la interpretación.»

La densidad del universo es el factor decisivo del que depende que el universo sea «plano»; es decir, con una geometría en la que dos haces de luz que avanzan en una misma dirección siguen siendo siempre paralelos en vez de acabar cruzándose de vuelta al punto de partida, como ocurriría en un universo cerrado. El espacio se extiende de manera plana en todas las direcciones si toda la materia y la energía del universo, incluyendo la materia oscura y la energía oscura, suman una densidad tal que la dinámica asociada a la expansión cósmica, que tiende a separar las galaxias, quede compensada por la atracción gravitatoria.

La teoría dominante sobre el nacimiento del universo, conocida como inflación cósmica, predice una planitud perfecta. Y diversas observaciones efectuadas desde principios del siglo XXI han mostrado que el universo es casi exactamente plano y debe, por lo tanto, tener una densidad de materia y energía muy próxima a la crítica, calculada como el equivalente —en buena parte invisible— a unos 5,7 átomos de hidrógeno por metro cúbico de espacio.

El telescopio Planck mide la densidad del universo calibrando qué parte de la luz del CMB es desviada debido al fenómeno conoido como «lente gravitacional» tras haber atravesado el universo durante los últimos 13.800 millones de años. Cuanta más materia se encuentren los fotones del CMB en su viaje hacia la Tierra, mayor será en ellos el efecto de lente gravitacional, de forma que su dirección ya no reflejará con nitidez el lugar del universo primitivo del que partieron. Este efecto se manifiesta en forma de un «emborronamiento» que suaviza ciertos picos y valles en el patrón espacial de la luz. Según el nuevo análisis, la elevada magnitud del efecto de lente gravitatcional del CMB indica que el universo podría tener una densidad un 5 por ciento mayor que la crítica, equivalente a un promedio de unos 6 átomos de hidrógeno por metro cúbico en vez de 5,7. De ser el caso, el efecto de la gravedad vencería sobre el de la expansión cósmica y el universo acabaría cerrándose sobre sí mismo.

Hace unos años, los científicos del Planck ya observaron ese efecto de lente gravitatoria mayor de lo esperado. La anomalía se dejó notar sobre todo en su análisis final del conjunto completo de datos, publicado en 2018. Si el universo es plano, los cosmólogos esperan que una medición de la curvatura caiga dentro de una sola «desviación estándar» con respecto a cero, un efecto esperable debido a las fluctuaciones estadísticas aleatorias en los datos. Sin embargo, tanto el equipo de Planck como los autores del nuevo artículo hallaron que los datos del CMB se desvían en 3,4 desviaciones estándar del resultado nulo. Suponiendo que el universo sea realmente plano, se trataría de una fluctuación estadística considerable: equivale a sacar once caras seguidas al lanzar una moneda, algo que solo ocurre menos del 1 por mil de las veces. El equipo del Planck atribuye la medición a una fluctuación así, o a algún efecto inexplicado que emborrona la luz del CMB e imita el efecto de una mayor cantidad de materia.

El mapa del fondo cósmico de microondas del satélite Planck [ESA/Colaboración Planck].Con todo, puede que el universo realmente sea cerrado. Di Valentino y sus coautores señalan que un modelo cerrado resuelve otros hallazgos anómalos en el CMB. Por ejemplo, los valores de los ingredientes clave del universo, como las cantidades de materia y energía oscuras, se deducen midiendo las variaciones de color del CMB en distintas regiones del cielo. Pero, curiosamente, se obtienen respuestas diferentes cuando se comparan regiones pequeñas del firmamento y regiones grandes. Los autores indican que, cuando esos valores se recalculan suponiendo que el universo es cerrado, las diferencias despaparecen.

Will Kinney, cosmólogo de la Universidad de Buffalo en Nueva York, dice que esta ventaja extra del modelo de universo cerrado es «realmente interesante». Pero señala que es fácil que las discrepancias entre las variaciones a pequeña y gran escala que se ven en la luz del CMB sean fluctuaciones estadísticas, o bien podrían derivar del mismo error no identificado que quizás esté afectando a la medición del efecto lente.

Según el modelo cosmológico estándar, conocido como ΛCDM (nombre que se refiere a la energía oscura, representada por la letra griega Λ, y a la materia oscura fría, o CDM por sus siglas en inglés), hay solo seis propiedades clave que moldean el universo. Es decir, con solo seis números, el modelo ΛCDM describe con fidelidad casi todas las características del cosmos. Y dicho modelo no predice ninguna curvatura, sino un universo plano.

El nuevo artículo viene a argüir que quizás haya que complementar el modelo ΛCDM con un séptimo parámetro: un número que describa la curvatura del universo. En el caso de la medición del efecto de lente gravitatoria, añadir un séptimo número mejora la concordancia con los datos.

Otros cosmólogos sostienen que, antes de tomar una anomalía tan en serio como para añadir un séptimo parámetro a la teoría, es necesario tener en cuenta todos los aciertos del modelo ΛCDM. Claro está, podemos centrarnos en esa sola anomalía (la moneda que cae cara once veces seguidas) y decir que algo va mal. Pero el CMB es un conjunto de datos tan enorme que equivale a tirar una moneda cientos o miles de veces. No cuesta imaginar que, en tal caso, podamos encontrar una tanda de once caras seguidas. En términos técnicos, este efecto estadístico se conoce como efecto «mirar en otras partes» (look elsewhere effect).

Además, los investigadores sostienen que no hace falta el séptimo parámetro para la mayoría de las demás mediciones. Hay una segunda forma de extraer del CMB información sobre la curvatura espacial: midiendo las correlaciones entre la luz de conjuntos de cuatro puntos en el cielo. Esta medición de «reconstrucción de lente» indica que el universo es plano, sin que haga falta un séptimo parámetro. Y las observaciones de las señales conocidas como «oscilaciones acústicas bariónicas» efectuadas de manera independiente por el sondeo BOSS también apuntan a un universo plano. Planck, en su análisis de 2018, combinó su medición del efecto lente con estas otras dos mediciones, y llegó a un valor global de la curvatura espacial compatible con un valor nulo dentro de una sola desviación estándar.

Di Valentino, Melchiorri y Silk piensan que, al unir esos tres conjuntos de datos, se oculta que en realidad los diferentes conjuntos de datos no concuerdan. «El quid de la cuestión no es que el universo sea cerrado», explicaba Melchiorri por correo electrónico. «El problema es la incoherencia entre los datos. Indica que actualmente no hay un modelo de concordancia y que se nos está escapando algo». En otras palabras, que ΛCDM es erróneo o incompleto.

Los otros investigadores consultados creen que las pruebas se inclinan hacia el universo plano. «Dadas las demás mediciones», añade Addison, «la interpretación más clara de ese comportamiento de los datos del Planck es la que lo atribuye a una fluctuación estadística. Puede que la causa sea alguna pequeña inexactitud en el análisis del Planck, o puede que no se trate sino de meras fluctuaciones ruidosas, mero azar. Pero sea como sea, la verdad es que no hay ninguna razón para tomarse en serio el modelo cerrado».

Eso no quiere decir que al cuadro cosmológico no le falten piezas. El modelo ΛCDM parece predecir un valor equivocado para el ritmo actual de la expansión del universo, lo que ha creado una controversia relativa a la constante de Hubble. Pero suponer que el universo es cerrado no arregla el problema: en realidad, añadir la curvatura empeora la predicción del ritmo de la expansión. Aparte de la medición anómala del efecto lente por el Planck, no hay razón alguna para pensar que el universo es cerrado.

«El tiempo lo dirá, pero, personalmente, esto no me preocupa demasiado», dice Kinney, refiriéndose al atisbo de curvatura en los datos del CMB. «Tiene la misma pinta que otras anomalías parecidas que acabaron por ser mero humo».

Natalie Wolchover/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

Referencia: «Planck evidence for a closed Universe and a possible crisis for cosmology», de Eleonora Di Valentino, Alessandro  Melchiorri y Joseph Silk, en Nature Astronomy, 4 de noviembre de 2019.

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