¿Qué forma tiene nuestro universo?

Sabemos que la Tierra es casi esférica y el Sistema Solar es plano, pero ¿qué forma tiene nuestro universo? ¿Y cómo podemos averiguarlo?

Si piensas en el universo a gran escala, en el universo como un todo, ¿en qué piensas? ¿En una esfera gigante? ¿En un plano infinito? ¿Tal vez en un donut, un triángulo o un icosaedro? La respuesta a esta pregunta es increíblemente importante, y ha dejado en vela a incontables científicas y científicos durante décadas.

Solemos imaginarnos el espacio exterior, el espacio que ocupan nuestro sistema solar, nuestra galaxia y el resto de objetos que pueblan el universo como el lugar donde ocurren las cosas, como si fuera un telón de fondo sin importancia real para la representación teatral que sería la historia del universo. Sin embargo, la relatividad general nos dice que el espacio es una entidad física. De hecho, las ecuaciones de Einstein de la relatividad general nos hablan de dos entidades igual de importantes e igual de reales: el contenido de energía del universo (es decir su masa y su energía) y el espacio-tiempo que alberga a dicha energía. Estas ecuaciones nos dicen por tanto que es la energía (y la masa, son equivalentes) la que le dice al espacio cómo debe curvarse y que es la curvatura de este espacio la que le dice a la energía (y la masa, otra vez) cómo debe moverse.

Por tanto la masa y la energía curvan el espaciotiempo (así es como entendemos la gravedad desde que Einstein propusiera esta teoría) y este espaciotiempo es incluso capaz de vibrar, como consecuencia del rápido movimiento de las masas, en forma de ondas gravitatorias. Pero todo esto nos habla de la curvatura local del universo, de la curvatura en un punto muy concreto, como puede ser en las cercanías de un agujero negro, en el núcleo del Sol o en el espacio intergaláctico. Además de sobre la curvatura local, también podemos hablar de la curvatura global del universo, de su forma.

Puedes pensarlo de este modo: imagina que tienes una lámina de madera flexible y bastante rugosa. A escala global, esa lámina puedes dejarla plana, si por ejemplo la utilizas para el tablero de una mesa o puedes darle cierta curvatura, si forma parte de una estructura más grande y elaborada. Pero a escala microscópica, la lámina tendrá una curvatura cambiante en cada milímetro cuadrado de su superficie. En algunos trozos las imperfecciones serán más pronunciadas y en otros no tanto. Algo similar ocurre en el universo.

La mejor manera de resumir las diferentes propiedades del espacio es entender su curvatura. En un espacio (o una región del espacio) plano, sin curvatura, dos objetos que se mueven en paralelo seguirán moviéndose en paralelo eternamente. En un espacio con curvatura positiva, como cerca de un planeta o estrella, dos objetos que iban en paralelo pueden llegar a chocar y en un espacio con curvatura negativa, estos mismos objetos se alejarán hasta el infinito.

Hay varias formas de medir la curvatura del universo, una de ellas es midiendo su densidad de energía, es decir midiendo su contenido de masa y energía, o cuán lleno está. Si la densidad de energía del universo es muy grande, entonces la gravedad debida a toda la masa presente hará que la expansión del universo resultante del Big Bang se detenga en el futuro, contrayéndose entonces el universo hasta que todo su contenido vuelva a estar concentrado en un punto. Si la densidad de energía es muy pequeña, entonces la gravedad no será capaz de detener esta expansión y el universo seguirá expandiéndose por siempre, sin llegar nunca a detenerse. Por último, si la densidad de energía del universo es igual a un valor concreto, la gravedad será capaz de detener la expansión del universo, pero tardará un tiempo infinito en hacerlo, de forma que esta expansión será cada vez más lenta y se detendrá, pero dentro de un tiempo infinitamente largo.

Experimentos llevados a cabo en las últimas dos décadas, como el estudio de las sondas WMAP o Planck del fondo cósmico de microondas nos muestran claramente que la densidad de energía está muy cerca del valor crítico necesario para tener un universo plano. Estas mismas observaciones nos permiten, junto con otros estudios independientes, determinar el contenido del universo, descubriendo que tan solo un 5% de éste corresponde a la materia que llamamos bariónica, la materia ordinaria que compone nuestro cuerpo, planeta, estrella y nuestra galaxia. El resto sería un 24% de materia oscura y un 71% de energía oscura. Esta energía oscura, cuya naturaleza desconocemos en la actualidad, tiene el efecto de estar acelerando la expansión del universo (recuerda que en un universo plano esta expansión se frena lentamente), por lo que parecemos vivir en un momento histórico concreto en el que la curvatura global del universo es 0, es decir este es plano, pero que en un futuro esta curvatura podría hacerse negativa, acelerándose la expansión del universo cada vez más.

Futuras investigaciones todavía más precisas, y futuros modelos teóricos todavía más completos arrojarán, esperemos, luz sobre estos temas. Y cuando esto ocurra, aquí estaremos para contároslo.

REFERENCIAS:

 
Planck Colaboration, 2020, Planck 2018 results. I. Overview and the cosmological legacy of Planck, Astronomy and Astrophysics. 641: A1, doi: 10.1051/0004-6361/201833880
 
José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

Continúa leyendo