¿Es el universo realmente plano?

Investigadores de la Universidad Complutense de Madrid han encontrado, a través del análisis del fondo cósmico de microondas según un modelo cosmológico alternativo al estándar, que el universo podría tener una curvatura espacial positiva – de manera similar a la superficie de una esfera. Los resultados ofrecen una alternativa posible a la idea, comúnmente aceptada, de que el universo sea espacialmente plano.

El artículo en el que se plasma este trabajo ha sido publicado en la revista especializada Physical Review D, mientras que la elaboración teórica del modelo cosmológico alternativo al estándar, que se publicó en esta misma revista, fue objeto de una reseña como artículo destacado en la prestigiosa revista Nature Physics. En esta ocasión los investigadores han dado un paso más al comparar las predicciones de este nuevo modelo propuesto con las observaciones de explosiones de supernovas, del fondo cósmico de microondas y de estructura del universo a gran escala.

Los resultados indican que estas predicciones se cumplen en buena medida, especialmente en los datos obtenidos con las observaciones de explosiones de supernovas. Según indica Antonio López Maroto, investigador de la Universidad Complutense de Madrid y director de este trabajo en el que también han participado José Beltrán Jiménez (UCM) y Ruth Lazkoz (Universidad del País Vasco), “hemos podido comprobar que el modelo es compatible con los datos de observación, aunque se da una cierta tensión entre algunos conjuntos de datos que, por otro lado, está también presente en el modelo de cosmología estándar”. El hecho de que las predicciones del modelo cosmológico alternativo coincidan en buena medida con las observaciones realizadas refuerza la validez de esta teoría.

Una de las conclusiones más sugerentes de este trabajo es que, al analizar los datos del fondo cósmico de microondas, el modelo utilizado por estos físicos predice que el universo tendría una curvatura positiva, como si fuera la superficie de una esfera. Esta idea se contrapone a la más extendida en la actualidad: que el universo sea espacialmente plano, lo que se deduce del análisis de estos mismos datos conforme al modelo cosmológico estándar.

El modelo estándar constituye la explicación habitualmente aceptada del fenómeno de la expansión acelerada del universo, e implica la existencia de un nuevo parámetro conocido como ‘constante cosmológica’. Fue Einstein quien introdujo en un primer momento esta constante en sus cálculos con una finalidad muy distinta: la de conseguir un universo estático. “Sin embargo – explica López Maroto – esta constante puede actuar también como una especie de gravitación revulsiva y generar la aceleración en el ritmo de expansión”. Y señala: “El problema surge porque el pequeñísimo valor que debe tomar esta constante para ajustar las observaciones plantea dudas sobre hasta qué punto se trata de una explicación fundamental”.

Vectores para explicar la expansión del universo

El modelo propuesto por los físicos españoles tiene la ventaja de que no requiere la introducción de una constante cosmológica, y es capaz de explicar la expansión acelerada del universo a través de la existencia de un campo vectorial, con lo que sí habría una razón subyacente. Así, la energía oscura se comportaría siguiendo un modelo de vectores que, como representación espacial, indicarían valores como la intensidad y señalarían una dirección concreta – al modo de una corriente de agua -, pero que, en este caso, apuntarían en la dirección del tiempo.

Al representar la geometría del universo a gran escala se pueden considerar tres formas posibles, según la curvatura: geometría espacial plana, si la curvatura es cero; similar a una esfera, si la curvatura es positiva, y al contrario, al modo de una silla de montar, si la curvatura es negativa. El análisis de los datos de radiación del fondo cósmico de acuerdo al modelo de campo vectorial indica que el universo tendría una curvatura espacial positiva, excluyendo de hecho la geometría plana, lo que implica que la predicción de la forma del universo depende no sólo de los datos, sino también del modelo cosmológico que se presuponga.

El trabajo pone en cuestión una idea muy aceptada en la actualidad: la de que los datos de radiación del fondo cósmico de microondas predicen un universo plano. Estos investigadores han demostrado que esta conclusión se basa en la presuposición de la validez de un modelo, el de la constante cosmológica, que es cuestionable, y que un cambio en esta construcción teórica implica que los mismos datos pueden predecir una geometría del universo diferente.


Referencia bibliográfica: J. Beltrán Jimenez, R. Lazkoz, A. López Maroto, “Cosmic vector for dark energy: Constraints from supernovae, cosmic microwave background, and baryon acoustic oscillations”, Physical Review D 80, 023004 (2009).

Fecha Original: 5 de octubre de 2009
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Comments (13)

  1. sapyatkuen

    Hola, muy interesante.

    Sólo un apunte, ¿es posible que cuando dices “esta constante puede actuar también como una especie de gravitación revulsiva y generar la aceleración en el ritmo de expansión” quieras decir “repulsiva”?

    Es una tontería igual. Por cierto el blog es cojonudo, estoy entretenido mirando entradas antiguas en vez de trabajar, jejeje.

    Cómo podría patentar una idea para una nave espacial funcional??

    Gracias

    • Ten cuidado que creo que tu jefe también entra en CienciaKanija asi que no pongas nunca el correo de tu empresa que te pillará. jeje
      Por tu pregunta también intuyo que en la NASA no trabajas ya que si no sabrias que patentar una idea de este tipo no es fácil y si alguien tuviera una idea novedosa probablemente no te la diría jeje

  2. Este nuevo modelo cosmológico se suma a otros muchos modelos o hipótesis que tratan de describir como funciona el universo. Es bueno que haya muchas hipótesis o posibles descripciones de la realidad pero indudablemente se hechan de menos nuevos resultados experimentales que aporten algo de luz en todo este “caos” teórico, de forma que podamos decantarnos por uno u otro modelo.
    Además esta enorme cantidad de modelos teóricos dan alas a los “buitres paracientíficos” para criticar y decir cosas como que la ciencia no sabe ni por donde se anda (aunque esto evidentemente no es culpa de los científicos sino de la ignorancia generalizada respecto a la ciencia).
    Sin poder disimular cierta ansiedad es claro que necesitamos ya nuevos avances experimentales (que seguramente vendrán del LHC, el satélite PLANCK, detectores de materia oscura, etc) que nos digan de una vez que es la materia oscura, la energia oscura, si son correctas las supercuerdas, si existen dimensiones extra,
    etc por que las preguntas se acumulan y las respuestas no llegan. Por si fuera poco la materia oscura no aparece, las ondas gravitatorias parecen no existir y la validez de la relatividad general con su principio de equivalencia pueden no ser correctos en determinadas situaciones…

  3. sapyatkuen

    Efectivamente, no trabajo en la NASA (y no voy a darle más pistas a mi jefe) pero llevo años con una idea en mente para una nave espacial y creo que es viable.

    Es un problema porque sé que alguien tendrá una idea similar tarde o temprano… No sé si es mejor escribir un relato corto, o participar en algún tipo de concurso. Ando un poco perdío.

  4. Federico

    Vaaaaa……… no te preocupes, nunca nadie va a construir tu nave ni pagar por los derechos, podes contarlo tranquilo que seguro va a tener muchas fallas o va a ser inviable.

  5. sapyatkuen

    Federico, supongo que nadie la va a construir o por lo menos no mientras viva, pero sí puede ser interesante como concepto y puede aparecer en alguna película / serie / documental o lo que sea (de ahí que no quiera contarlo tranquilo).

    Evidentemente tendrá fallos, tampoco soy ingeniero aeronáutico, pero la idea es lo que cuenta!

  6. Félix

    Pregunta básica de un inexperto:
    ¿Cómo puede ser plano el universo y a la vez cuadrimensional a nuestra percepción?

    Hace varios años que empecé a interesarme por estos temas y a leer blogs de esta línea, pero nunca he podido concebir ese detalle. Más o menos intuyo que esto tiene qué ver con una deformación inherente de la proyección de un espacio n-dimensional en otro n’-dimensional.

    Por cierto… ¡excelente blog!

    • Hola Félix, te dejo un enlace donde se explica mucho mejor de lo que podría hacerlo yo.

      Un saludo y ¡gracias!

      • Félix

        Ok… a ver si ya lo entiendo mejor:

        Entonces, decir que el universo es plano es como decir que no está deformado en alguna otra dimensión. O sea, lo que estamos buscando es una quinta dimensión (o una cuarta espacial) hacia donde la gravedad curva el tejido espacio-temporal mediante la concentración masiva de materia, como en los agujeros negros o estrellas hiperdensas. Como en aquella analogía: nuestro universo es un contenedor de materia tridimensional, y un agujero negro es una abertura por donde la materia puede escapar hacia otra dimensión; así como una vasija contiene un flujo bidimensional de agua, y un hoyo en el fondo es por donde el flujo escapa en otra dimensión.

        ¿Algo así?

        Lo de las paralelas… ¿no es precisamente eso lo que se espera? El hecho de que la gravedad, que es uno de los grandes problemas de la ciencia, deforme el espacio-tiempo y esto a su vez provoque el corte de las líneas, me hace suponer que es un buen escenario para estudiar las propiedades del universo. Si se espera que las paralelas se corten en uno de los ‘polos del universo’, es como querer averiguar el aspecto y no tanto las propiedades… o es que he entendido mal :S

        El enlace es esclarecedor, aunque se antoja menos breve… es que esto es fascinante y siempre quiero leer más.

        ¡Gracias!

  7. Otra vez a vueltas con la Curvatura del Espacio-Tiempo: Universo plano, abierto o cerrado en función de la Densidad crítica (cantidad de materia) que en el universo esté presente.

    Hay que entender que el espacio-tiempo es la descripción en cuatro dimensiones del Universo en la que la posición de un objeto se especifica por tres coordenadas en el espacio y una en el tiempo.

    De acuerdo con la relatividad especial, no existe un tiempo absoluto que pueda ser medido con independencia del observador, de manera que eventos simultáneos para un observador ocurren en instantes diferentes vistos desde otro lugar. El tiempo puede ser medido, por tanto, de manera relativa, como los son las posiciones en el espacio (Euclides) tridimensional, y esto puede conseguirse mediante el concepto de espacio-tiempo. La trayectoria de un objeto en el espacio-tiempo se denomina por el nombre de línea de Universo. La relatividad general, nos explica lo que es un espacio-tiempo curvo con las posiciones y movimientos de las partículas de materia.

    La curvatura del espacio es la propiedad del espacio-tiempo en la que las leyes familiares de la geometría no son aplicables en regiones donde los campos gravitatorios son intensos. La relatividad general de Einstein, nos explica y demuestra que el espacio-tiempo está íntimamente relacionado con la distribución de materia en el Universo y, nos dice que, el espacio se curva en presencia de masas considerables como planetas, estrellas o Galaxias (entre otros).

    En un espacio de sólo dos dimensiones, como una lámina de goma plana, la geometría de Euclides se aplica de manera que la suma de los ángulos internos de un triángulo en la lámina es de 180º. Si colocamos un objeto masivo sobre la lámina de goma, la lámina se distorsionará y los caminos de los objetos que se muevan sobre ella se curvaran. Esto es en esencia, lo que ocurre en relatividad general.

    En los modelos cosmológicos más sencillos basados en los modelos de Friedman, la curvatura de espacio-tiempo está relacionada simplemente con la densidad media de la materia, y se describe por una función matemática denominada métrica de Robertson-Walker.

    Si un universo tiene una densidad mayor que la densidad crítica, se dice que tiene curvatura positiva, queriendo decir que el espacio-tiempo está curvado sobre sí mismo, como la superficie de una esfera; la suma de los ángulos de un triángulo que se dibuje sobre la esfera es entonces mayor que 180º. Dicho universo sería infinito y se expandiría para siempre, es el universo abierto.

    Un universo de Einstein-de Sitter tiene densidad crítica exacta y es, por consiguiente, espacialmente plano (euclideo) infinito en el espacio y en el tiempo.

    Cuando hablamos de Densidad crítica. (densidad de materia), nos estamos refiriendo a la Densidad media de materia requerida para que la gravedad detenga la expansión del universo (deceleración). Un universo con una densidad muy baja se expandirá para siempre, mientras que uno con una densidad muy alta colapsará finalmente. Un universo con exactamente la densidad crítica, alrededor de 10 exp.-29 g/cm3, es descrito por el modelo Einstein-de Sitter, que está en el termino medio de los dos anteriores, o sea, el universo abierto, el universo cerrado y el universo plano.

    No se conoce de manera exacta la densidad crítica del universo, la misteriosa materia oscura, lo impide. La materia que forma todas las galaxias del universo con la diversidad de objetos que contienen, están formadas por materia bariónica: quarks, protones, neutrones y electrones, ésto es, hadrones y leptones que sólo suponen una pequeña parte de la materia necesaria para que las galaxias se muevan a las velocidades observadas, por lo que, se deduce la existencia de otra clase de materia (la materia oscura) que hay que buscar.

    Lo que se nos dice aquí ahora, es que el nuevo Modelo desdice el anteriormente hallado por los Astrómonos y Astrofísicos que, es un Universo plano, mientras que, en este nuevo podría ser curvo. De todas las maneras, cuando llegan estas noticias, debemos ser prudentes, ponerlas en cuarentena y esperar a ver en que queda todo ésto, ya que, el Universo es tan complejo que…determinar cuestiones de manera categórica, no parece prudente.

  8. La Radiación cósmica de fondo se trata de emisión radio de microondas proveniente de todas las direcciones (isotrópica) y que corresponde a una curva de cuerpo negro.

    Estas propiedades coinciden con las predichas por la teoría del Big Bang, como habiendo sido generada por fotones liberados del Big Bang cuando el universo tenía menos de un millón de años (universo bebé) de antigüedad.

    La teoría del Big Bang también supone la existencia de radiaciones de fondo de neutrinos y gravitatoria, aunque aun no tenemos los medios para detectarlas. Sin embargo, los indicios nos confirman que la teoría puede llevar todas las papeletas para que le toque el premio.

    Últimamente se ha detectado que la radiación de fondo no está repartida por igual por todo el universo. ¡Ya veremos! qué pueden significar esas isotropías observadas y a dónde nos puedan conducir en la configuración real de un Universo que tantos secretos nos guarda para que los podamos descubrir.

    Claro que, no conozco a fondo los parámetros que han sido introducidos en este nuevo modelo para que se llegue a la conclusión final de un universo curvo y que desdice a las obervaciones anteriores que aseguran que estamos en un universo plano, y, tampoco puedo saber qué estudio se ha hecho de la actual tasa de expnasión del Universo.

    El aumento constante en el tiempo de las distancias que separan las galaxias lejanas unas de otras. La expansión no se produce dentro de las galaxias individuales o los cúmulos de galaxias, que están unidos por la gravitación, pero se manifiesta al nivel de los supercúmulos.

    A mí particularmente, siempre me llamó la atención el hecho de que, mientras las galaxias se alejan las unas de las otras, nuestra vecina, la galaxia Andrómeda, se esté acercando a nosotros, a la Vía Láctea. Parece que, en un futuro lejano, el destino de ambas galaxias es el de fusionarse en una enorme galaxia.

    La hipótesis de expansión del universo, en realidad está basada en la evidencia del desplazamiento hacia el rojo, en virtud de la cual la distancia entre galaxias está continuamente creciendo. Si la luz de estas galaxias se desplaza al rojo, significa que se alejan, si lo hace hacia el azul, significa que se está acercando (el caso de Andrómeda).

    La teoría original, propuesta en 1.929 por Edwin Hubble (1.889-1.953), asume que las galaxias se alejan como consecuencia de la gran explosión (Big Bang) de la cual se originó el universo. El mejor Modelo que hasta la fecha podemos exhibir.

    Podríamos hablar aquí de expansión térmica, expansión de coeficiente, expansividad absoluta, aparente, cúbica, lineal, superficial, etc, con lo cual estaría cayendo en complejidades que serían al caso.

    El Modelo (he dicho que desconozco en qué se basa realmente) bos habla de una expansión rápida a través de campos vectoriales en presencia de una razón subyacente que determina el comportamiento de la energía oscura y sin necesidad de la existencia de una costante cosmológica.

    La verdad es que, si creamos un Modelo e introducimos en él algo que aún no sabemos lo que es (la energía oscura) ni como se comporta o de qué está hecho o dónde se genera su fuente, la verdad es que no es para tenerle mucha confianza y, la sensación que nos podría dar es de que estamos dando palos de ciego o peor aún, que andamos sobre las arenas movedizas de nuestra ignorancia.

    De todad las maneras, no es malo el abundar en Modelos nuevos que nos puedan dejar al descubierto los fallos que estos puedan tener, así vamos avanzando en la Física y la Astronomía donde pintamos modelos que podrían ser y nos van acercándo, poco a poco, a los que realmente son.

  9. sapyatkuen

    Gracias Emilio por la explicación y a Manuel por en enlace.

    No tenía claro, entre otras cosas, por qué se dice que tiene curvatura positiva o negativa. Veo que no depende de si se mira “boca abajo”…

  10. yo

    Realmente el asunto de una misteriosa constante cosmológica me huele a parche para ajustar las fórmulas a las observaciones.

    Si esta teoría puede explicar la expansión acelerada del universo sin introducir misteriosas constantes sin expilcación, me inclino a pensar que puede ser correcta.

    De hecho, la teoría del universo esférico siempre me ha parecido la más plausible: El espacio no parece tener límites. Sin embargo pensar que es infinito tiene implicaciones muy bizarras. ¿Qué superficie no tiene límites pero no es infinita? Una esfera. La expansión del universo se explica fácilmente como una esfera que se va “inflando”; todo parece cuadrar bien. Si a demás hay manera de explicar la expansión acelerada… cuadra todavía mejor.

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