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El Universo es plano, según investigaciones modernas. Pero ¿qué significa eso?

Geometría, topología y el Big Bang

La imagen detallada de todo el cielo del universo infantil creada a partir de nueve años de datos WMAP. La imagen revela fluctuaciones de temperatura de hace 13.770 millones de años (que se muestran como diferencias de color) que corresponden a las semillas que crecieron para convertirse en galaxias. Créditos de imagen: NASA / WMAP

Pensar en la forma del Universo es en sí mismo un poco absurdo. Cuando consideras la forma de algo, lo ves desde afuera, pero ¿cómo podrías ver el universo desde afuera? Al discutir esto, los astrónomos generalmente abordan dos conceptos:

  1. La geometría local. Esto se refiere a la geometría del universo observable, junto con su curvatura.
  2. La geometría global. Esto se refiere a la topología, todo lo que es, en oposición a todo lo que podemos observar.

Si podemos observar todo el universo y no estamos limitados de alguna manera por su geometría u otra característica, entonces los dos coinciden. Pero hay una buena posibilidad de que los dos no coincidan, y nuestras observaciones están limitadas de alguna manera por una característica intrínseca del universo que no podemos conocer realmente, al menos no ahora.

La mayoría de la gente esperaría que el universo en su totalidad fuera simétricamente redondo en forma de esfera, algo así como la Tierra. Hablando de la Tierra, considerémoslo por un momento. Sabemos que la Tierra no es plana, pero ¿qué significa eso? Geométricamente, significa que las líneas paralelas en su superficie no son realmente paralelas. Todas las líneas, aunque empiecen paralelas, acabarán uniéndose en uno de los polos, y la distancia entre ellas no será constante. Como a continuación:

Tres posibles formas del Universo: cerrado, abierto y plano de arriba a abajo. Créditos de la imagen: NASA.

Entonces, un Universo plano significaría que las líneas paralelas dibujadas permanecen paralelas y aquí radica la clave. Hablando en términos generales y simplificando las cosas, los científicos notaron que la luz de varias galaxias permanece paralela entre sí, a lo largo de grandes distancias del universo. El telescopio BOSS (Baryon Oscillation Spectroscopic Survey) proporcionó pruebas muy sólidas de que el universo observable es realmente plano, y las implicaciones son desconcertantes.

Una de las razones por las que nos preocupamos es que un universo plano tiene implicaciones sobre si el universo es infinito, dijo David Schlegel, miembro de la División de Física del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. Eso significa que, si bien no podemos decir con certeza que nunca llegará a su fin, es probable que el universo se extienda para siempre en el espacio y continúe para siempre en el tiempo. Nuestros resultados son consistentes con un universo infinito.

Aquí hay un excelente video que detalla por qué el Universo es probablemente plano:

Finito vs Infinito

Otro debate sobre el universo que involucra su forma es el infinito. El universo es realmente grande, lo sabemos, pero ¿es realmente infinito?

Desde la antigüedad, los humanos se han preguntado eso. En el siglo XVIII, el astrónomo alemán Heinrich Wilhelm Olbers planteó una paradoja: si el Universo es infinito, entonces el cielo no estaría oscuro. ¿Por qué? Porque en cualquier dirección que miraras, habría un espacio infinito y, finalmente, encontrarías una estrella que enviaría su luz. El cielo nocturno no se ilumina por completo, así que listo, el universo no es infinito. Desafortunadamente, no es tan simple como eso. Podría haber varias explicaciones para la paradoja de Olber, y ninguna es simple. El universo se está expandiendo rápidamente, por lo que las estrellas distantes se desplazan hacia el rojo hasta la oscuridad. O la luz de otras estrellas simplemente no nos ha vuelto a alcanzar, realmente no podemos saberlo. Lo que sí sabemos es que los objetos de más de 13.700 millones de años (la última cifra) están demasiado lejos para que su luz nos alcance. Así que sabemos bastante bien la edad del Universo, pero ¿qué pasa con su tamaño?

Podrías decir ¿Por qué no miramos en todas direcciones y vemos qué tan grande es? pero, por desgracia, una vez más no es tan simple.

Universo en una esfera en expansión. Las galaxias más lejanas se mueven más rápido y, por lo tanto, experimentan una contracción de longitud y, por lo tanto, se vuelven más pequeñas para un observador en el centro. Créditos de imagen: Drschawrz

El diámetro del Universo observable es de 91 mil millones de años luz. La distancia que ha recorrido la luz desde el borde del universo observable es muy cercana a la edad del Universo multiplicada por la velocidad de la luz, 13.800 millones de años luz, pero esto no representa la distancia en un momento dado porque el borde del Desde entonces, el universo observable y la Tierra se han alejado más. Debido a que no podemos observar el espacio más allá del borde del universo observable, no podemos saber directamente si el Universo es infinito o no. Las mediciones modernas, incluidas las del Cosmic Background Explorer (COBE), la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP) y los mapas de Planck del CMB, sugieren que el Universo tiene una extensión infinita, pero aún es un debate en curso.

Pero, ¿y el Big Bang?

Una representación de la evolución del universo durante 13,77 mil millones de años. El extremo izquierdo representa el momento más temprano que ahora podemos investigar, cuando un período de inflación produjo un estallido de crecimiento exponencial en el universo. Créditos de imagen: NASA / WMAP

La mayoría de la gente tiene algún tipo de idea básica sobre lo que sucedió durante el Big Bang, y aquí es donde se encuentran la mayoría de los conceptos erróneos. Debido a que fue entonces cuando el espacio comenzó a existir, la mayoría de la gente imagina que se expandía en todas las direcciones por igual, pero probablemente no fue así como sucedieron las cosas. Antes del Big Bang, no había espacio ni tiempo. Entonces, no hay nada fuera del Big Bang en el que el universo se expanda. El Universo simplemente se expandió de un volumen muy pequeño a un volumen enorme, y esta expansión está ocurriendo incluso hoy, pero no hay garantía de que la expansión se haya producido de forma simétrica, en todas las direcciones.

Así que volvamos a la geometría local y global. Lo que nuestras observaciones científicas están detectando es la geometría local, el universo observable (solo podemos observar lo observable, de ahí el nombre). Nuestras observaciones, por minuciosas y bien pensadas que sean, no pueden ser exhaustivas.

La forma general del Universo.

Entonces, al final, nos quedamos con un universo potencialmente plano y potencialmente infinito, pero ¿cuál es su forma global? Desafortunadamente, no lo sabemos realmente. Incluso si las líneas son paralelas y el universo observable es plano, no significa que todo el universo sea plano. Por lo que sabemos, podría ser una tira de Mbius, una forma en la que el espacio se dobla y se distorsiona, pero las líneas permanecen paralelas y, en última instancia, conectan un extremo del espacio con el otro.

Al final del día, hay tres posibilidades distintas, todas con sus propias implicaciones distintas:

  • Universo con curvatura cero. Un universo plano. No necesariamente infinito, y no necesariamente como una hoja de papel. También podría tener una forma como un toro.
  • Universo con curvatura positiva. Una forma similar a una esfera.
  • Universo con curvatura negativa. Puede pensar en él localmente como un análogo tridimensional de una forma de silla de montar infinitamente extendida.

No sabemos cuál es la verdadera. Lo que sí sabemos es que el universo observable es plano y eso en sí mismo es un hallazgo notable.

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