¿Cuántos agujeros tiene el universo?

Hace unos 2.500 años la humanidad empezó a reconocer que nuestro planeta es redondo, aunque algunos partidarios de la “Tierra plana” todavía lo niegan hoy. La forma de nuestro universo Sin embargo, no está claro. Estudios anteriores han sugerido que el cosmos probablemente tenga una forma bastante simple, como el equivalente tridimensional de una superficie esférica o un plano. Pero esta opinión puede ser errónea, según cosmólogos de la Colaboración para Observaciones, Modelos y Predicciones de Anomalías y Topología Cósmica (COMPACT). En un artículo publicado en abril de 2024, descubrieron que la forma del universo podría ser significativamente más compleja de lo que se suponía anteriormente.

La Tierra también parece plana a primera vista. Esto se debe a que su radio es tan grande que la curvatura de la superficie apenas es perceptible. Para comprobar que es una esfera, bastaría con empezar a caminar. Si avanzaras en línea recta sin siquiera girar (cruzando montañas y océanos), inevitablemente regresarías al punto de partida en algún momento.

Los cosmólogos recopilan pistas similares para determinar la forma del universo. Podrían enviar una nave espacial para atravesar el cosmos. En lugar de eso, miran el cielo nocturno y examinan los rastros de la luz más antigua que nos llega desde las profundidades del cosmos. Esta radiación se creó unos 300.000 años después del Big Bang. Aunque los fotones ya existían antes de eso, la materia estaba tan densamente empaquetada en lo que entonces era un universo pequeño que los cuantos de luz no tenían posibilidad de viajar libremente. Sin embargo, finalmente el universo se enfrió hasta tal punto que se volvió transparente. Los fotones pudieron propagarse libremente por el espacio, y todavía lo hacen hoy.

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Los fotones de esta época temprana del universo nos llegan como radiación cósmica de fondo. Aproximadamente el mismo patrón de luz antigua proviene de todos los rincones del universo. Esta radiación proporciona pistas sobre la forma del universo. Si, por ejemplo, la curvatura del universo cambiara en un punto, la radiación cósmica de fondo no sería tan homogénea como la observamos. Por lo tanto, los expertos suponen que el universo o es curvado de la misma manera en todas partes o es completamente plano.

Una gran cantidad de posibilidades

Es difícil imaginar que el universo no tenga curvatura o tenga una curvatura constante. Por eso es útil utilizar ejemplos bidimensionales. En esta analogía, para ajustarse a los patrones homogéneos de la radiación cósmica de fondo, el universo puede ser en realidad plano como una hoja de papel plana (sin curvatura), corresponder a la contraparte tridimensional de una superficie esférica (curvatura positiva) o formar una especie de de la superficie tridimensional del sillín (curvatura negativa). En los tres casos, la curvatura es constante en todas partes.

Pero esto todavía no revela cómo es el universo en su conjunto. Por ejemplo, el espacio podría curvarse de la misma manera en todas partes y aun así tener un agujero. La disciplina matemática de la topología se puede utilizar para diferenciar entre estos casos. Los topólogos clasifican las figuras geométricas según categorías aproximadas, como el número de agujeros que tienen, para crear un catálogo de formas. Los cosmólogos pretenden asignar una de estas formas al universo.

Como han podido demostrar los matemáticos, existe un número infinito de categorías diferentes (topologías) de superficies tridimensionales curvas. Entonces, si el espacio-tiempo realmente tiene forma de silla de montar o esférico, entonces, en teoría, el universo puede adoptar cualquier cantidad de formas, cada una de las cuales es muy diferente de la otra. Sin embargo, las observaciones cosmológicas hasta la fecha apuntan a un universo plano y sin curvatura.. De ser cierta, esta idea limita la búsqueda de la topología del universo: como dedujo el matemático Grigori Perelman en 2003el catálogo de superficies planas tridimensionales es muy reducido, con sólo 18 categorías diferentes.

Una de las 18 formas

Por tanto, la forma del universo corresponde presumiblemente a una de estas 18 formas. Uno es el análogo tridimensional de una hoja de papel. Pero nuestro cosmos también podría tener agujeros. Entre las 18 topologías, el equivalente tridimensional de una superficie de donut es el llamado toro.

Aunque a primera vista un donut parece curvo, resulta que esta forma en realidad es plana. Esto se debe a que se puede crear una forma de donut usando una hoja de papel (muy flexible). Para hacer esto, primero pegue los lados largos opuestos de la hoja, creando un tubo alargado. Luego doblas el tubo y juntas las dos aberturas.

Esta construcción tiene muchas ventajas. Por ejemplo, si quieres describir el movimiento de una hormiga sobre un donut, suele ser más fácil imaginar la hoja de papel rectangular. El insecto camina sobre la hoja de papel y, tan pronto como cruza un borde, vuelve a entrar en el lado opuesto de la hoja, como en el popular juego móvil Snake de los años 2000. Si la hormiga se mueve en línea recta, inevitablemente terminará en algún momento de regreso al principio.

Puedes crear un toro tridimensional de la misma manera usando un cuboide tridimensional en lugar de una hoja de papel rectangular. En este caso, también lo deformas para que los lados opuestos del cuboide queden pegados.

Un universo de donuts con bucles

Si nuestro universo tuviera forma de toro, esto tendría consecuencias tangibles. Si alumbráramos el cielo con una linterna, por ejemplo, esta luz, en teoría, volvería a llegar hasta nosotros en algún momento, del mismo modo que la hormiga en la hoja de papel siempre regresa a su punto de partida. Estos bucles existen en la mayoría de las 18 topologías diferentes. Son trayectorias que regresan a su punto de partida. Sin embargo, a primera vista los bucles no parecen corresponderse con nuestras observaciones. Si la luz atravesara periódicamente el espacio, tendríamos que ver varias copias del universo en el cielo nocturno.

Aún así, este hecho no excluye todas las topologías con bucles. Podríamos vivir en un universo tan grande que la luz aún no haya tenido tiempo suficiente para atravesarlo y regresar. Quizás dentro de varios miles de millones de años, los humanos (u otros seres) tengamos el placer de ver un cielo nocturno que contenga numerosas imágenes del universo.

Pero incluso bucles tan grandes dejarían huellas hoy en día. Por ejemplo, la forma del cosmos habría influido en cómo interactuaban la materia y la luz en el universo primitivo. Si el universo tuviera agujeros (y por tanto también bucles), este hecho debería reflejarse en los datos de la radiación cósmica de fondo.

Sin embargo, en las búsquedas de las décadas de 2000 y 2010, los expertos no encontraron nada. Por lo tanto, la mayoría de los cosmólogos han asumido que el universo tenía una estructura bastante simple. La investigación sobre la forma del universo se estancó, al menos hasta el lanzamiento de COMPACT en 2022.

Significativamente más posibilidades de las esperadas

El equipo COMPACT comparó los datos más recientes sobre la radiación cosmológica de fondo con varias topologías del universo y obtuvo resultados sorprendentes en su primera publicación. Entre otras cosas, los investigadores descubrieron que en trabajos anteriores se habían ignorado muchas variantes de las topologías individuales. En otras palabras, es posible que los investigadores hayan pasado por alto otras formas que podrían describir nuestro cosmos. La colaboración también pudo demostrar que la evidencia faltante de bucles en la radiación cósmica de fondo es mucho menos restrictiva de lo que se suponía anteriormente. Además de los bucles, podría haber otros rastros en la radiación cósmica de fondo que apunten a topologías complicadas. El trabajo futuro explorará cuáles podrían ser exactamente estas formas.

Los investigadores respaldaron sus argumentos utilizando tres ejemplos concretos de topologías del espacio plano: un toro ordinario y dos variaciones del mismo en las que las caras del cuboide se tuercen antes de pegarse. Los tres tienen agujeros. Para el toro común, COMPACT confirmó conclusiones anteriores: si nuestro universo tiene forma de toro, los bucles deben ser tan grandes que la luz aún no ha podido llegar hasta nosotros. Pero la sorpresa fue que es posible que esta misma idea no se aplique a las formas modificadas. Los cálculos de la colaboración muestran que los bucles de estas formas también podrían ser significativamente más cortos de lo que se suponía a partir de los datos anteriores. Debido a los numerosos giros, el universo podría contener copias de sí mismo que podrían verse diferentes del original, lo que las haría menos fáciles de detectar en los mapas del fondo cósmico de microondas.

En conjunto, los hallazgos del equipo COMPACT muestran que el universo podría parecer mucho más complicado de lo que se suponía anteriormente. Y eso tendría consecuencias de gran alcance. La forma de nuestro cosmos no es sólo una cuestión académica. La topología del espacio-tiempo probablemente estuvo determinada por los procesos cuánticos que tuvieron lugar poco después del Big Bang. Si supiéramos más sobre la forma del universo, podríamos (potencialmente) aprender más sobre los complejos procesos que tuvieron lugar en sus inicios.

Este artículo apareció originalmente en Spektrum der Wissenschaft y fue reproducido con autorización.