¿Es el Universo realmente igual en todas partes?

Sin embargo, una serie de observaciones recientes han puesto en entredicho esa supuesta uniformidad, y sugieren la posible existencia de 'anisotropías', variaciones en la estructura del Universo que se hacen evidentes a escalas extremadamente grandes. Y el telescopio espacial Euclid, lanzado recientemente por la Agencia Espacial Europea (ESA), podría ser clave para confirmar, o desmentir, este enigma cósmico.

A pesar de sus indudables éxitos a la hora de explicar lo que nos rodea, el Modelo Estándar de la Cosmología no es perfecto. Algunas observaciones cosmológicas recientes, de hecho, sugieren que, a escalas gigantescas, podrían existir irregularidades, variaciones en la estructura del Universo que contradicen su supuesta uniformidad. Dichas anomalías se han podido identificar utilizando diferentes métodos e incluyen, por supuesto, las contradictorias mediciones de la tasa de expansión del Universo, así como estudios de la radiación cósmica de fondo (el eco del Big Bang) y diversas inconsistencias en los datos cosmológicos. Por ejemplo, diferentes métodos de medición de la constante de Hubble, que describe lo rápido que el Universo se está expandiendo, arrojan resultados diferentes, lo que lleva años desconcertando a los científicos. La discrepancia, conocida como «tensión de Hubble», podría ser un indicio de que algo no encaja en nuestro modelo cosmológico actual.

Para entenderlo mejor, imaginemos una sábana que mantenemos tersa sujetándola firmemente por sus cuatro esquinas. El Principio Cosmológico nos dice que, como el Universo, la sábana es uniforme en todas direcciones. Las anomalías observadas en el Cosmos serían como arrugas o partes más tensas en la sábana, indicando que la uniformidad podría no ser tal. Sin embargo, hasta ahora las observaciones de los cosmólogos no son del todo concluyentes, y siempre flota en el ambiente la incómoda posibilidad de que los resultados se deban a simples errores en las técnicas de medición. Para descartarlos por completo, se necesitan más datos de los que tenemos hoy en día, y recopilados además con metodologías independientes. Si múltiples técnicas confirmaran las mismas anomalías, su existencia sería mucho más difícil de ignorar.

Ahora, un nuevo trabajo recién publicado en 'Journal of Cosmology and Astroparticle Physics' por un equipo de investigadores dirigido por James Adam ha desarrollado una nueva metodología para poner a prueba la isotropía del Universo utilizando instrumentos como Euclid, un telescopio espacial europeo lanzado en 2023 que acaba de empezar a producir imágenes del Cosmos con una potencia, precisión y resolución que no tiene precedentes. Su objetivo principal es cartografiar la geometría del Universo y la distribución de la materia oscura, lo que lo convierte en una herramienta ideal para investigar la validez del Principio Cosmológico.

«Investigamos un método diferente para restringir la anisotropía, un método que involucra a la llamada lente gravitacional débil», explica Adam. La lente gravitacional débil es un fenómeno que ocurre cuando la materia que hay entre nosotros y una galaxia distante curva ligeramente la luz de la galaxia, alterando su forma aparente. Es como si viéramos la galaxia a través de una lupa cósmica, y el fenómeno puede darse con diferentes intensidades. Según el nuevo estudio, los casos en que la distorsión es más débil puede revelar si realmente existen irregularidades en el Universo.

Sería algo similar a observar un campo de flores a través de una lente deformada. Si la deformación es uniforme, todas las flores se verán distorsionadas de manera similar. Pero si la deformación varía en diferentes direcciones, algunas flores se verán más alargadas y otras más aplastadas, revelando la anisotropía de la lente. El análisis de los datos de una lente gravitacional débil permite a los científicos separar la señal en dos componentes: la deformación en modo E, que se genera por la distribución de la materia en un universo isótropo y homogéneo, y la deformación en modo B, que suele ser muy débil y que no debería aparecer a grandes escalas en un Universo isótropo.

Observar sólo modos B a gran escala no sería suficiente para confirmar la existencia de anisotropías, ya que estas señales son muy débiles y podrían ser el resultado de errores de medición o efectos secundarios. Sin embargo, si una anisotropía es real, afectaría tanto a los modos E como a los modos B de forma no independiente, generando una correlación entre las dos señales. Solo si Euclid revela una correlación significativa entre los modos E y B, sería posible pensar en una expansión anisotrópica del Universo.

En su estudio, Adam y sus colegas simularon en una computadora los efectos de la expansión de un Universo anisotrópico, y desarrollaron un modelo que describe cómo las desviaciones de la isotropía modificarían la señal de la lente gravitacional débil. Luego calcularon la correlación cruzada E-B para demostrar que un Universo anisotrópico produciría una correlación entre las dos señales, y aplicaron su modelo a los futuros datos de Euclid, mostrando que esas observaciones serán lo suficientemente precisas para detectar posibles anisotropías.

Euclid ya está empezando a proporcionar datos útiles para estos análisis, y pronto entrarán en funcionamiento nuevos observatorios capaces de hacer lo mismo. Ahora, y ya con una metodología adecuada, Adam y sus colegas pretenden aplicarla a datos reales. «Una vez que has revisado tu trabajo cuatro veces -explica Adam-, entonces tienes que considerar seriamente si esta suposición fundamental (la de una isotropía fundamental) es realmente cierta o no, particularmente en el Universo tardío. O tal vez nunca fue cierta».

Si las anomalías se confirman, se abrirá un capítulo totalmente nuevo en la cosmología. Aunque no será fácil. Ya existen, en efecto, modelos teóricos alternativos que predicen anisotropías, aunque de momento ninguno de ellos ha resultado ser tan sólido, ni es tan ampliamente aceptado como el Modelo Estándar.

Si realmente vivimos en un Universo que no es isótropo, esto podría tener implicaciones profundas para nuestra comprensión de la física fundamental y la naturaleza misma del Cosmos. Y sería necesario revisar o ampliar el Modelo Estándar de Cosmología para dar cabida a estas nuevas observaciones. El descubrimiento podría incluso abrir la puerta a nuevas teorías sobre la gravedad y la energía oscura, dos de los grandes misterios de la física actual.

*NOTA:

Por qué el Universo no tiene centro

Sabemos que el universo se está expandiendo, y eso nos lleva a imaginar, erróneamente, que existe un centro (donde ocurrió el Big Bang) a partir del cual se originó esa expansión. Sin embargo, no es así. Para entenderlo, debemos pensar en el Universo como si se tratara de la superficie de la Tierra: podemos movernos en cualquier dirección sin llegar a un borde, pero no hay centro en la superficie. Si la Tierra se comportara como un globo que se hincha, veríamos que el espacio en su superficie se expande, pero no habría un punto específico que pueda considerarse el centro de la expansión.

Con el Universo ocurre algo similar. Según el Principio Cosmológico, no solo no hay un centro o una ubicación privilegiada en el espacio cósmico, sino que el espacio en sí tiene propiedades homogéneas en todas partes, al menos cuando lo consideramos a escalas suficientemente grandes. Por supuesto, a nuestro alrededor hay grandes vacíos junto a regiones en que la materia es mucho más densa, como estrellas o galaxias, pero si nos alejamos lo suficiente, estas irregularidades desaparecen. Sería como observar la arena de una playa a solo unos centímetros, revelándose montículos, depresiones y otras irregularidades, y hacerlo después desde la terraza de un décimo piso, desde donde la playa se ve como algo uniforme y continuo. El mismo principio constituye la base del modelo teórico que usamos hoy para explicar el origen, la evolución y el estado actual del Universo. Y resulta de lo más conveniente porque, entre otras cosas, también implica que las leyes de la física se aplican en todas partes de la misma manera, lo que simplifica significativamente nuestra comprensión del cosmos.