Dibujar el cosmos exige mirar el borde de un abismo. Da vértigo, pero la curiosidad y un extraño morbo nos asedian. Muchos físicos y astrónomos se han embarcado en esta misión, trazando teorías para todos los gustos sobre una cuestión por resolver: ¿qué forma tiene el universo?
Según los científicos, el universo podría ser cerrado, infinito, plano o curvo, retorcido como una cinta de Moebius o enredado como una maraña de lana. Cada uno tiene sus preferencias, aunque apenas hay certezas. Para el resto de los mortales, lo lógico es preguntarse si tiene sentido hablar siquiera de una ‘forma’ para el cosmos.
“Cuando hablamos de la forma del universo nos referimos a la geometría del espacio-tiempo, que va evolucionando”, advierte Mariano Moles, investigador y director del Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón. La Teoría de la Relatividad de Einstein dice que el espacio y el tiempo son inseparables, así que nos topamos con un objeto de cuatro dimensiones imposible de visualizar. Pero podemos simplificar y obtener fotos de él en cada momento, “aunque en el instante cosmológico después será distinto”, advierte Moles.
Una mirada desde fuera
Una opción es retratar el entorno desde dentro del propio universo para obtener su curvatura o forma local. La otra es estudiar su forma global o topología. “La topología es la forma que veríamos desde fuera. Claro que ‘fuera’ del universo no existe”, afirma Eduard Salvador, catedrático de Astrofísica de la Universidad de Barcelona. Este es uno de los grandes problemas: no podemos salir a mirar el ‘todo’.
“Estamos limitados para entender cuerpos en tres dimensiones por estar nosotros mismos inmersos en un mundo tridimensional”, apunta Vicente Muñoz, catedrático de Geometría y Topología de la Universidad Complutense de Madrid y autor del libro La forma del universo. Nos pasa lo mismo que a los ‘chatoides’, seres planos inventados por Eduardo Battaner, catedrático de Cosmología de la Universidad de Granada.
Los chatoides habitan en la superficie de una esfera y solo perciben la longitud y la anchura. Para ellos el mundo es un plano que se extiende indefinidamente; sin embargo, si emprenden un viaje con rumbo constante, después de recorrer una circunferencia entera llegarán al mismo punto y serán capaces de comprender que viven en ‘algo parecido’ a la superficie de una esfera.
Esto mismo, en una dimensión más, es lo que intentan hacer algunos para estudiar la forma global del cosmos. “En un universo cerrado, deberían producirse repeticiones de algún tipo cuando miramos a lo lejos –explica Eduard Salvador–. Pero hasta el momento no hay observaciones que puedan confirmar ninguna hipótesis de topología. Las repeticiones son muy difíciles de detectar y ni siquiera se sabe si se darán, así que no se trabaja mucho en esta línea”.
Después de todo, el universo es plano
El estudio de la curvatura del espacio está dando mejores frutos. La respuesta es casi unánime: el universo es plano. Es lo que confirman observaciones independientes sobre las anisotropías de la radiación de fondo, lentes gravitatorias, la distribución de materia a gran escala, la temperatura del gas dentro de los cúmulos, etc. “No nos referimos a que sea como un folio, sino a que se cumplen las propiedades de la geometría euclídea”, explica Salvador. “Es decir, si lanzamos dos haces de luz paralelos, nunca se acercarán o se alejarán, como sucedería si fuera curvo”, describe José Alberto Rubiño, cosmólogo del Instituto de Astrofísica de Canarias.
La gran herramienta para estudiar el universo es la radiación de fondo de microondas (CMB, por sus siglas en inglés), el eco electromagnético del Big Bang. Tras siete años de observaciones, la Sonda Anisotrópica de Microondas Wilkinson (WMAP) de la NASA ha trazado en 2011 el primer plano completo del cielo de microondas en alta resolución. “Hasta ahora, la mejor determinación de la forma del universo la ha aportado el WMAP”, asegura a SINC Charles Bennett, investigador principal del proyecto. Si nos fiamos de la NASA, podemos asumir con un margen de error de un 0,5% que estamos en una geometría plana.
Quizá estos datos nos lleven a alguna forma global. Charles Bennett contesta: “si la curvatura es nula, entonces el universo global no puede ser esférico”. ¿Podemos entonces olvidarnos de la esfera? “No”. El especialista de la Nasa recuerda que las observaciones siempre tendrán alguna incertidumbre. “En este momento nuestras medidas son indistinguibles de la curvatura nula, pero no podemos desechar la geometría esférica. Eso sí, el radio de curvatura sería enorme”, explica Bennet.
Algunas verdades universales
Tenemos sobre la mesa todas las opciones: abierto o cerrado, finito o infinito. “No sabemos si el cosmos es finito o infinito. Sí podemos asegurar que la región que podemos ver es finita”. Bennett se refiere al ‘horizonte cosmológico’, un límite infranqueable a partir del cual no se puede saber absolutamente nada. Hoy podríamos conocer, como mucho, los objetos que estén a distancias inferiores a 13.700 millones de años luz, es decir, lo que ha recorrido la luz desde el Big Bang. “La luz de todo lo que esté más lejos aún no nos ha llegado”, afirma Rubiño.
Pero que no se pueda observar no significa que no exista. “Hay pruebas que muestran que el universo es mucho más grande. Si su tamaño fuera menor que 70.000 millones de años luz, entonces veríamos múltiples copias en los mapas de microondas. Hemos buscado este patrón y no lo hemos visto. Esto nos permite situar una cota del mínimo tamaño que tiene el universo”, afirma a SINC David Spergel, profesor de astrofísica en la Universidad de Princeton (EE UU). “También podemos asegurar que no tiene bordes”, añade Rubiño.
Recapitulando: es limitado en el tiempo, es mayor de lo que vemos, no tiene bordes, pero ¿es infinito? El concepto se escapa de nuestras manos y da lugar a paradojas. Spergel plantea una de las más inquietantes: “Sabemos que hay un número finito de átomos en cada ‘parche’ observable del espacio (de radio 13.700 millones de años luz) y las maneras de recolocarlos también son finitas. Nuestra existencia viene determinada por una recombinación de átomos concreta. En un universo infinito tendría que haber otros lugares en los que se volviera a dar esta combinación. De hecho, infinitos lugares. Por tanto, existirían infinitas copias de nosotros mismos. Esto es raro”.
Si para el lector lego esto es un galimatías, los cosmólogos tampoco se sienten cómodos con estos trabalenguas. “Yo, personalmente, prefiero un universo finito, aunque muy grande”, admite Spergel.
Atrapados por nuestra visión finita
Si el universo es más grande que el horizonte cosmológico, puede que nunca lleguemos a conocer su forma global. El espacio podría ser finito, pero tan grande que cualquier señal de su finitud esté fuera de nuestro alcance. “No puede observarse más allá del horizonte cosmológico. Eso violaría el principio de la velocidad finita de la luz –afirma Battaner–. Lo que está más allá puede vislumbrarse por la teoría, pero no por la observación”.
La verdad es que, hasta ahora, ‘mirar’ a través de la teoría nos ha permitido saber muchas cosas. “Tenemos un modelo cosmológico que puede explicar todas las medidas, incluyendo las geométricas, con solo seis parámetros”, afirma Benett. Es la Teoría de la Inflación, la revisión del Big Bang que sitúa un periódico de inflación dramático y exponencial en el comienzo del universo.
“Fuera como fuese la curvatura inicial, el cosmos se ‘aplastó’ por la enorme expansión, hasta llegar a un estado prácticamente plano. A partir de entonces, ha seguido expandiéndose y enfriándose. Conocemos su contenido: un 73% de energía oscura, 23% de materia oscura y 4% de átomos. Sabemos que tiene 13.700 millones de años. Entendemos muchas cosas, pero hay todavía tantísimas otras que no comprendemos”, admite el experto de la NASA.
Para los que tienen que ver para creer, los métodos observacionales todavía tienen mucho que ofrecernos. “El camino más prometedor es el que proporcionó WMAP, aunque su sucesor, el satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) está ya orbitando y midiendo con una sensibilidad de tres a diez veces mayor que el WMAP. A principios de 2013 ofrecerá datos que nos permitirán conocer la geometría del universo”, anticipa Battaner. Bueno, digamos ‘conocer mejor’. En particular, corroborar las correcciones de la inflación.
“Analizando las anisotropías de la radiación observada por Planck, podremos afirmar, o no, que vivimos en un universo plano, dominado por la energía oscura, que terminará en un ‘gran desgarrón’, con una expansión indefinidamente cada vez más rápida”. Entonces, seremos capaces de ver con un poco más de precisión qué se esconde en el fondo del abismo.
Triángulos en el cielo
A partir de observaciones del Fondo Cósmico de Microondas, la misión WMAP ha determinado, con un margen de error del 0,5%, que el universo es plano. “Si dibujas un triángulo enorme en la superficie de la Tierra, la suma de los ángulos será mayor a 180 grados, porque es curva. La misión espacial WMAP ha hecho el mismo razonamiento en tres dimensiones: sobre un triángulo tridimensional que se extiende sobre vastas regiones del espacio ha mostrado que la naturaleza del espacio es euclídea, es decir, que su curvatura es cero”, afirma Charles Bennett.
La curvatura, que describe la geometría local, está íntimamente relacionada con la densidad y con el destino del universo. La distribución de la materia y la energía determina la relación entre las fuerzas que mueven el cosmos a gran escala: la expansión y la gravedad. Según venza una o la otra, el mundo sufrirá una contracción que le llevará al colapso, una expansión acelerada que lo desgarrará, o quedará en equilibrio hasta la muerte térmica.
