El día de hoy, para variar un poco los temas de ingeniería que regularmente revisamos, un querido colega nos comparte un interesante artículo relacionado con el campo de la física, y específicamente el de la cosmología. El artículo lo escribió Pia Gärtner, fue publicado por la Universität Wien (UW) el pasado 24 de septiembre de 2020 y lo tradujimos nosotros.
Antes de iniciar, recordemos que la cosmología es la rama del conocimiento que estudia el universo en su conjunto, es decir, es la ciencia que estudia todo lo que hay fuera de nuestro planeta. Relacionado con este campo el concepto de “principio cosmológico” es una hipótesis principal de la cosmología moderna, basada en un número cada vez más grandes de indicios que se han estado observando. Afirma este concepto que, en escalas espaciales suficientemente grandes, el Universo es isótropo y homogéneo.
La isotropía significa que sin importar en qué dirección se esté observando, veremos las mismas propiedades en el Universo. La homogeneidad quiere decir que cualquier punto del Universo luce igual y tiene las mismas propiedades que cualquier otro punto dado. La expresión «suficientemente grandes» se refiere a escalas del orden de cientos de megapársecs, donde un pársec es una unidad de longitud utilizada en astronomía igual a 3.2616 años luz y obviamente un megapársec equivale a 3.26 millones de años luz.
Aclarados los conceptos anteriores, nos adentraremos a la visita del artículo propiamente. Para iniciar, el artículo nos dice que la gravedad puede acelerar la homogeneización del espacio-tiempo a medida que evoluciona el universo. Esta idea se basa en estudios teóricos del físico David Fajman de la Universität Wien (UW). Los métodos matemáticos desarrollados dentro de su proyecto de investigación permiten investigar cuestiones fundamentales abiertas de la cosmología, como por qué el universo hoy parece tan homogéneo. Los resultados se han publicado en la revista Physical Review Letters.
La evolución temporal del universo, desde el Big Bang hasta el presente, se describe mediante las ecuaciones de campo de la relatividad general de Einstein. Sin embargo, todavía hay una serie de preguntas abiertas sobre la dinámica cosmológica, cuyos orígenes se encuentran en supuestas discrepancias entre la teoría y la observación. Una de estas preguntas abiertas es: ¿Por qué el universo en su estado actual es tan homogéneo a gran escala?
Del Big Bang al presente
Se supone que el universo se encontraba en un estado extremo poco después del Big Bang, caracterizado en particular por fuertes fluctuaciones en la curvatura del espacio-tiempo. Durante el largo proceso de expansión, el universo evolucionó hacia su estado actual, que es, a gran escala, homogéneo e isotrópico; en términos simples: el cosmos se ve igual en todas partes.
Esto se infiere, entre otras cosas, de la medición de la llamada radiación de fondo, que parece muy uniforme en todas las direcciones de observación. Esta homogeneidad es sorprendente en el sentido de que incluso dos regiones del universo que se desacoplaron causalmente entre sí, es decir, no pudieron intercambiar información, todavía exhiben valores idénticos de radiación de fondo.
Teorías alternativas
Para resolver esta supuesta contradicción, se desarrolló la llamada teoría de la inflación, que postula una fase de expansión extremadamente rápida inmediatamente posterior al Big Bang, que a su vez puede explicar la homogeneidad en la radiación de fondo.
Sin embargo, explicar esta fase en el contexto de la teoría de Einstein requiere una serie de modificaciones de la teoría, que parecen artificiales y no pueden verificarse directamente.
Nuevos hallazgos: homogeneización por gravitación
Hasta ahora, no estaba claro si la homogeneización del universo puede explicarse completamente por las ecuaciones de Einstein. La razón de esto es la complejidad de las ecuaciones y la dificultad asociada para analizar sus soluciones —modelos para el universo— y predecir su comportamiento.
En el problema concreto, la evolución en el tiempo de las desviaciones originalmente fuertes del estado homogéneo como ondas gravitacionales cosmológicas debe analizarse matemáticamente. Hay que demostrar que decaen en el curso de la expansión, lo que permite que el universo obtenga su estructura homogénea.
Dichos análisis se basan en métodos matemáticos modernos en el campo del análisis geométrico. Hasta ahora, estos métodos solo podían lograr tales resultados para pequeñas desviaciones de la geometría homogénea del espacio-tiempo. David Fajman de la UW ha logrado por primera vez transferir estos métodos al caso de desviaciones arbitrariamente grandes.
Los resultados publicados en la reconocida revista PRL muestran que la homogeneización en la clase de modelos investigados ya está completamente explicada por la teoría de Einstein y no requiere modificaciones adicionales. Si este hallazgo puede transferirse a modelos más generales, significa que no necesariamente necesita un mecanismo como la inflación para explicar el estado de nuestro universo actual, pero que la teoría de Einstein finalmente podría triunfar una vez más.
Fuentes:
https://es.wikipedia.org/wiki/Principio_cosmol%C3%B3gico
https://es.wikipedia.org/wiki/P%C3%A1rsec
