02/Jul/08

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Mapa de galaxias da pistas de un universo fractal

¿Está ordenada la materia en el universo en un patrón fractal? Un nuevo estudio de casi un millón de galaxias sugiere que así es, aunque no hay teorías aceptadas para explicar por qué sería así

Los cosmólogos están tratando de reconstruir la historia entera del universo, a través de algunas preciosas pistas sobre las que trabajar. Una de ellas es la distribución de la materia a través del espacio, que ha sido ordenada por 14 mil millones de años de competencia entre la gravedad y la expansión cósmica.

Hay mucho en juego: si hay un patrón en la distribución de la materia, éste codifica los secretos del universo, y la distribución de la materia se ha convertido en fuente de apasionados debates entre aquellos que dicen que la distribución es suave y homogénea y los que dicen que es jerárquicamente estructurada y agrupada, como un fractal.

Casi todos los físicos acuerdan que en escalas relativamente pequeñas la distribución es de tipo fractal: cientos de miles de millones de estrellas agrupadas juntas para formar galaxias, galaxias agrupadas para formar cúmulos, y cúmulos que forman supercúmulos.

El punto en discusión es lo que ocurre a grandes escalas. De acuerdo a los físicos, esta agrupación de muñecas rusas termina a grandes escalas y el universo se vuelve homogéneo.

Pero un pequeño grupo de físicos, que incluye a Francesco Sylos Labini del Centro Enrico Fermi en Roma y Luciano Pietronero de la Universidad de Roma, argumentan que los datos muestran lo opuesto: el universo continúa mostrándose fractal, tan lejos como nuestros telescopios pueden ver.

Mapas 3D

Los mejores datos para buscar la distribución de las galaxias vienen del Sloan Digital Sky Survey (SDSS), que está construyendo el mayor mapa 3D del universo. Cuando se complete, mapeará las posiciones de casi un millón de galaxias y cuásares.

Cuando los datos del SDSS se publicaron en 2004, los físicos David Hogg de la Universidad de Nueva York y Daniel Eisenstein de la Universidad de Arizona, publicaron un análisis de 55.000 galaxias rojas luminosas, sugiriendo que el patrón fractal se suavizaba a escalas mayores a 200 millones de años-luz.

Pero Sylos Labini y Pietronero no estaban convencidos. Ellos creían que la aparente suavidad era una ilusión causada por las débiles estadísticas: la homogeneidad parecía ocurrir a las mayores escalas que el sondeo era capaz de estudiar. Sólo un mapa mayor podría resolver el debate.

Ahora, el SDSS ya reveló su sexta ronda de datos, que determina la localización de cerca de 800.000 galaxias y 100.000 cuásares.

Grandes escalas

De acuerdo a su último artículo, que ha sido enviado a Nature Physics, Sylos Labini y Pietronero, junto con los físicos Nikolay Vasilyev y Yurij Baryshev de la Universidad del San Petersburgo en Rusia, argumentan que los nuevos datos muestran que las galaxias exhiben un patrón explícitamente fractal hasta una escala de 100 millones de años-luz.

Y dicen que si el universo se vuelve homogéneo en cierto punto, debe ser a una escala mayor que los 300 millones de años-luz. Eso es así, porque, incluso a esa escala, continúan observando grandes fluctuaciones, un cúmulo aquí, un vacío allá, en la distribución de la materia.

La mayoría de los cosmólogos interpreta esas fluctuaciones como si fueran no más significativas que pequeñas olas en la superficie del mar, pero Sylos Labini y sus colegas dicen que son más parecidas a tsunamis.

Sin modelo

El problema que instala la posible fractalidad del universo a gran escala es que socava el modelo estándar de la cosmología. De acuerdo a la aceptada historia de evolución cósmica, simplemente no ha habido suficiente tiempo desde el Big Bang, hace 14 mil millones de años, para que la gravedad construyera tan grandes estructuras.

Más aún, la sugerencia de que la distribución es homogénea ha permitido a los cosmólogos modelar el universo con bastante simplicidad usando la teoría general de la relatividad de Einstein, que relaciona la forma del espacio a la distribución de la materia.

Modelar un universo fractal con la relatividad general es posible en teoría, pero en realidad sería muy complicado. Eso dejaría a los cosmólogos sin un modelo que trabajar, como acróbatas sin red.

Radiación reliquia

Para apoyar la suposición de la homogeneidad, los cosmólogos apuntan a la suavidad del fondo de radiación de microondas (CMB), radiación reliquia del universo primitivo. El CMB es perfectamente uniforme hasta una parte en 100.000, sugiriendo que el universo temprano era casi homogéneo.

"La imagen estándar de un universo homogéneo a grandes escalas se sostiene muy bien al ser confrontado con las observaciones de muy larga escala como aquellas que mapean la radiación del fondo cósmico, rayos-X y radio galaxias", dice el físico Neil Turok de la Universidad de Cambridge. Y agrega:"Si las observaciones de galaxias en sondeos ópticos no acuerdan, podría haber un número de posibles explicaciones, sin recurrir a un universo extremadamente no homogéneo, fractal".

¿Ilusión óptica?

Pero inferir la distribución de la materia del CMB no es siempre simple. Los mapas muestran una distribución 3D proyectada en una superficie 2D, y es posible para una distribución 3D agrupada, aparecer suave al ser proyectada en 2D. Lo mismo es cierto en el fondo de rayos-X, que aparece homogéneo en dos dimensiones. Finalmente, usar galaxias que son brillantes a longitudes de onda de radio también es problemático, ya que es difícil medir sus distancias con precisión suficiente para determinar sus posiciones en 3D.

¿Qué podría producir un patrón fractal en sondeos de galaxias como el Sloan? Parte del agrupamiento puede ser una especie de ilusión óptica conocida como el efecto de ojo de buey, dice Adrian Melott de la Universidad de Kansas.

Eso es porque las galaxias cercanas se acercan unas a otras debido a su mutua atracción gravitatoria, incluso con el universo expandiéndose. El movimiento puede realzar la aparente agrupación de materia en sondeos como Sloan, dado que esos sondeos dependen de mediciones de las velocidades de las galaxias para determinar su distancia a la Tierra.

La apuesta

Pero de acuerdo a su artículo, el equipo de Sylos Labini dice que ese efecto es sólo relevante a muy pequeñas escalas, cerca de 16 millones de años-luz y menos, y no tiene influencia en el agrupamiento a las grandes escalas en discusión.

Melott no está de acuerdo, ya que se magnificarían los agrupamientos a cualquier escala. Pero añade que el efecto sólo realza estructuras que ya existen.

¿Qué hay en juego si el universo fuera fractal a grandes escalas? Además de un replanteo radical de las leyes e historia del cosmos, los investigadores pusieron algo más terrenal en juego.

Más de una década atrás, Sylos Labini y Pietronero realizaron una apuesta con el físico Marc Davis de la Universidad de California. La apuesta, arbitrada por Turok, sostiene que si la distribución de materia fuera fractal más allá de escalas de aproximadamente 50 millones de años-luz, Davis le debería a los físicos italianos una caja de vinos de California. Si fuera a la inversa, Davis recibiría una caja de vinos italianos, que algunos dirían es un mejor acuerdo.

Turok todavía tiene que declarar un ganador.

Fuente: Noticias del Cosmos. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard