25/Ene/09

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Flujo oscuro: ¿una prueba de otro universo?

Para la mayor parte de nosotros el universo es inmensamente vasto. Pero no para los cosmólogos.

Los científicos que estudian el universo se sienten decididamente restringidos. Sin importar qué tan grandes sean sus telescopios, hasta ahora sólo pueden ver hasta dar contra una pared. A unos 45.000 millones de años-luz de distancia (este es un nuevo número en la cosmología) está el horizonte cósmico, la barrera final porque la luz más allá de ella no ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros.

Así que aquí estamos, encerrados dentro de nuestro parche de universo, preguntándonos qué hay más allá y resignados al hecho de que nunca podremos saberlo. Lo mejor que podemos esperar, mediante alguna combinación de suerte y vigilancia, es descubrir una grieta en la estructura de las cosas, una ventana posible a ese lugar escondido más allá del borde del universo. Ahora Sasha Kashlinsky cree que ha tropezado con esa ventana.

Kashlinsky, un científico de planta de alto nivel en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard en Greenbelt, Maryland, de la NASA, ha estado estudiando cómo se mueven los cúmulos rebeldes de galaxias contra el telón de fondo del espacio en expansión. Él y los colegas han tomado el tiempo a cúmulos galácticos que corren a velocidades hasta 1.000 kilómetros por segundo -mucho más rápido que lo que nuestro mejor conocimiento de la cosmología permite. Sin embargo es más extraño todavía que cada cúmulo parece estar corriendo hacia un pequeño sector del cielo entre las constelaciones de Centaurus y Vela.

Kashlinsky y su equipo afirman que su observación representa la primera pista de lo que hay más allá del horizonte cósmico. Al averiguarlo, podremos saber cómo se veía el universo inmediatamente después del Big Bang, o si nuestro universo es uno de muchos. Otros no están tan seguros. Una interpretación diferente dice que no tiene nada que ver con universos extraños sino el resultado de un defecto en una de las piedras angulares de la cosmología, la idea de que el universo debe verse igual en todas direcciones. O sea, si las observaciones resisten un escrutinio preciso.

Todos los colegas se están incorporando y tomando nota. "Este descubrimiento se agrega a nuestra pila de enigmas sobre la cosmología", dice Laura Mersini-Houghton de la University of North Carolina, Chapel Hill. En esa pila tenemos el 95% del contenido del universo, incluso la materia oscura invisible que parece mantener juntas a las galaxias, y la misteriosa energía oscura que está acelerando la expansión del universo. Por lo tanto, Kashlinsky le puso nombre a este nuevo enigma: "flujo oscuro".

Kashlinsky mide a qué velocidad viajan los cúmulos galácticos hasta una distancia de 5.000 millones de años-luz buscando señales de su movimiento en el fondo de microondas cósmico (en inglés Cosmic Microwave Background o CMB), el calor que quedó del Big Bang. Los fotones en el CMB por lo general corren de manera continuada a través de miles de millones de años-luz de espacio interestelar, pero cuando pasan a través de un cúmulo galáctico tropiezan con gas ionizado caliente en los espacios entre las galaxias. Los fotones dispersos por este gas se muestran como una diminuta distorsión en la temperatura del CMB, y si ocurre que el cúmulo se está moviendo, la distorsión también registrará un desplazamiento Doppler.

En cualquier cúmulo individual, este cambio es demasiado pequeño para ser detectado, y es por eso que nunca nadie se molestó en buscarlo. Sin embargo, Kashlinsky se dio cuenta de que si combinaba las mediciones de una cantidad suficientemente grande de cúmulos, la señal sería amplificada a un nivel mensurable.

Kashlinsky y su equipo recogieron un catálogo de casi 800 cúmulos, usando telescopios que captaron los rayos-X emitidos por el gas ionizado dentro de ellos. Luego miraron el CMB en esas ubicaciones, usando las imágenes captadas por el satélite de WMAP de la NASA. Lo que encontraron los impactó. Se espera que los cúmulos galácticos deriven al azar por su particular región de espacio, porque la materia está distribuida en grupos irregulares, creando campos gravitatorios locales los atraen. En escalas enormes, sin embargo, se supone que la materia está difundida de una manera uniforme, de modo que en estas escalas los cúmulos deberían deslizarse con el espacio a medida que se expande. Y además de todo eso, en el modelo estándar de la cosmología todo sugiere que el universo debería verse casi igual en todas direcciones.

Fuera de los límites

Entonces, ¿qué hay detrás del flujo oscuro? No puede estar causado por la materia oscura porque toda la materia oscura en el universo no produciría la suficiente gravedad, dice Kashlinsky. No puede ser energía oscura, tampoco, porque la energía oscura está difundida de manera uniforme en todo el espacio. Eso, solamente deja una explicación posible, concluye: algo que se oculta más allá del horizonte cósmico tiene la culpa.

Antes de que las conclusiones fueran publicadas en octubre en The Astrophysical Journal Letters (vol 686, p L49), Kashlinsky sabía qué tan herética parecería su idea. "Nos sentamos sobre esto durante más de un año verificando todo", dice. "No es lo que esperábamos, ni siquiera lo que queríamos descubrir, de modo que nos sentimos escépticos por mucho tiempo. Pero en última instancia es lo que está en los datos".

Nadie sabe exactamente qué se puede ocultar en el horizonte o qué tan grande es realmente el cosmos, Pero Kashlinsky sospecha que es un vestigio del estado caótico que existió apenas una fracción de segundo después del principio del tiempo, antes de que comenzara un fenómeno conocido como inflación.

En general, se piensa que nuestro universo comenzó como una diminuta porción en un espacio-tiempo pre-existente, formando una burbuja que entonces sufrió un estallido de expansión exponencial. Este período de inflación estiró y aplanó nuestro universo, dejando una distribución pareja de materia y energía. Fuera de esta burbuja, mucho más allá de nuestro horizonte cósmico, las cosas podrían parecer muy diferentes. Sin la acción de la inflación, el espacio-tiempo podría ser muy irregular: plano en un vecindario y con enormes estructuras o agujeros negros gigantescos en otro. "Podía ser tan raro como uno pueda imaginar, o algo bastante monótono", dice Kashlinsky. De cualquier manera, sugiere que algo fuera de nuestra burbuja está atrayendo a nuestros cúmulos galácticos, causando el flujo oscuro.

También han sido sugeridas otras explicaciones, más radicales, para el flujo oscuro. Es posible -incluso probable, dicen algunos- que la nuestra no fuera la única burbuja que se infló del espacio-tiempo primigenio. En esta situación de "inflación eterna", las burbujas surgen por todas partes, definiendo cada una su propio universo dentro de un multiverso más grande.

Muchos cosmólogos se sienten felices al relegar esos otros universos a ese rincón polvoriento de la teoría donde se guardan los subproductos no-observables. Mersini-Houghton no es uno de ellos. Argumenta que el flujo oscuro es causado por los otros universos, que ejercen atracción gravitatoria sobre los cúmulos galácticos de nuestro universo. Ella y sus colegas calcularon cómo esos otros universos, dispersos al azar alrededor de nuestra burbuja, modificarían la gravedad dentro de ella. "Cuando calculamos cuánta fuerza es ejercida sobre los cúmulos en nuestro universo, me sorprendió que el número coincidía asombrosamente bien con el que Kashlinsky había observado", dice. "Creo firmemente que esto es efecto de algo fuera de nuestro universo".

Otros creen que el flujo oscuro podría ser una señal de que nuestro universo burbuja chocó con otra burbuja justo después del Big Bang. En la inflación eterna, cada universo burbuja puede aparecer con su propio y único conjunto de partículas y fuerzas de la naturaleza, de modo que las colisiones entre burbujas pueden tener consecuencias dramáticas. Si chocan dos universos con la misma física, generarán un estallido de energía y luego se fusionarán. Sin embargo, si chocan dos universos muy diferentes, resulta una batalla cósmica. En el sitio del impacto se formará una pared de energía llamada pared de dominio, que mantendrá separados a los dos mundos incompatibles. Entonces la burbuja con mejor energía se expande, enviando la pared de dominio contra su rival, arrasando todo en su trayectoria.

Si nuestro universo sufriera una colisión de ese tipo, cualquier prueba persistente de los restos cósmicos deberían aparecer en la parte del cielo que mira hacia el sitio de impacto. El impacto de la colisión debería distorsionar el espacio, y eso, a su vez, afectaría cómo viajan los rayos de luz, incluyendo el CMB, a través de él y cómo evolucionan las estructuras a gran escala, incluso galaxias y cúmulos. Mirando a través del cielo hoy, esperaríamos ver que el universo exhibe extrañas propiedades en dirección a la colisión.

La colisión podría haber grabado una dirección especial en el CMB, dice el físico Anthony Aguirre de la University of California, Santa Cruz. "A medida que uno se aleja de la dirección especial, la temperatura [del CMB] cambiaría". Ahora los físicos están peinando los datos en busca de las señales de ese cambio. Siempre que hay cosas raras que suceden a gran escala dentro de la galaxia, los restos de una colisión son un candidato para explicarlas, dice Aguirre.

Una opinión totalmente diferente sobre el flujo oscuro viene de Luciano Pietronero de La Sapienza University en Roma, Italia y de Francesco Sylos Labini del Enrico Fermi Center en Roma, Italia. Dicen que el modelo cosmológico estándar está equivocado, y que un modelo diferente podría explicar el movimiento de los cúmulos galácticos que Kashlinsky encontró. "Es sólo otro elemento que apunta hacia el hecho de que la imagen estándar de la formación galáctica no está describiendo correctamente lo que ocurre en el universo real", dice Pietronero.

Las predicciones del movimiento de los cúmulos galácticos sobre la base del modelo convencional suponen que la materia está distribuida de manera uniforme en todo el espacio a escalas muy grandes. Pietronero y Sylos Labini afirman que el análisis de la distribución de galaxias y cúmulos galácticos en todo el cielo muestra que no es verdad, y que en grandes escalas la materia es como un fractal. Si ése es el caso, el campo gravitacional en todo el universo también sería irregular y podría conducir a los efectos que Kashlinsky observó. Los nuevos resultados del Sloan Digital Sky Survey, que ya ha mapeado aproximadamente un millón de galaxias, ayudarán a Pietronero y Sylos Labini para dar una imagen más precisa de la dispersión de la materia, y ellos esperan confirmar sus ideas. "Creo que tendremos noticias interesantes muy pronto", dice Sylos Labini.

Un universo fractal, sin embargo, suscitaría grandes problemas propios. En primer lugar, una distribución fractal de la materia es incompatible con la inflación cósmica, de modo que los teóricos tendrían que imaginar cómo apareció en primer lugar.

Explorar el multiverso

El físico Douglas Scott de la University of British Columbia en Vancouver, Canadá, es también escéptico sobre que el flujo oscuro es evidencia de algo fuera de nuestro universo observable. "No hay razón en absoluto para esperar que venga desde estructuras más allá del horizonte", dice. Scott señala que hasta ahora ese flujo oscuro sólo ha sido observado a distancias que son apenas un pequeño porcentaje de la distancia total hasta el horizonte. "Si el efecto es real", dice, "entonces la explicación probable sería alguna estructura de una escala muy grande, pero todavía dentro del horizonte". Esa estructura, sin embargo, todavía presentaría un importante desafío al modelo estándar de cosmología.

Lo más importante ahora es confirmar que ese flujo oscuro es real y que continúa todo el camino hasta el horizonte cósmico. Otros dos equipos han hecho mediciones compatibles con los resultados de Kashlinsky, pero sólo a escalas de menos de 200 millones de años-luz -apenas un corto paso comparado con la distancia hasta el horizonte.

Para confirmar su conclusión, el equipo de Kashlinsky estará analizando datos más recientes de WMAP y trabajando con investigadores en la University of Hawaii sobre los datos de un catálogo de rayos-X de todo el cielo. El diminuto efecto Doppler que Kashlinsky usa para medir las velocidades de los cúmulos es sólo observable en bruto, que significa que es mejor cuantos más cúmulos galácticos se puedan mirar. "Si se confirma, será una manera excitante de sondear la estructura final del universo y quizás incluso del multiverso", dice Kashlinsky. "Pero uno tiene que verificar y volver a controlar".

"Si esta cosa se confirma y es real, será increíblemente importante", dice Aguirre, "del mismo orden de descubrimiento que la comprensión de que ésas pequeñas manchas sobre el cielo son otras galaxias. La cosa más importante que nos diría es que la imagen estándar está quebrada de alguna manera. Y la cosa más excitante que podría decirnos es que hay otros universos". Si lo hace, el espacio y el tiempo se abrirán para revelar una realidad que es mucho más grande que la que conocemos. Cuando eso ocurra, esos cosmólogos afectados por la claustrofobia finalmente podrán respirar con facilidad.

¿Qué tan grande es el universo?

Han pasado 13.700 millones de años desde el Big Bang, de modo que la luz que ahora llega a nosotros no puede haber empezado su viaje antes de entonces. Sin embargo, el objeto más distante que podríamos posiblemente ver hoy está más allá que esos 13.700 millones de años-luz. Porque durante toda la vida del universo, el espacio se ha estado expandiendo. Tomando esto en cuenta, los cosmólogos calculan que el borde de nuestro universo observable está ahora aproximadamente a 45.000 millones de años-luz de distancia.

Más allá de eso, ¿quién sabe? La teoría cosmológica de la inflación predice que el universo creció desde una burbuja. Qué tamaño tiene exactamente esa burbuja ahora, depende de cuánto tiempo duró la inflación. Si continuara durante un tiempo muy largo -en este contexto "muy largo" es todavía apenas una fracción de segundo- entonces el borde de nuestro universo podría estar más allá del límite de 45.000 millones de años-luz de nuestra visión. Eso también podía eliminar la posibilidad de observar la influencia de otros universos sobre el nuestro. Como dice el físico Matthew Kleban de la New York University: "Es totalmente posible que vivamos en un multiverse y nunca lo sabremos porque hubo tanta inflación".

Fuente: New Scientist. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard