Nuestro modelo cosmológico del universo, basado en la mecánica cuántica y la relatividad general, trata la geometría del universo influenciada por la materia y la energía, que para la mayoría de los propósitos se considera plano.

Sin embargo, no dice nada sobre la topología del universo en sí:¿es infinito, tiene bucles, etc. El PRL El estudio se centra en este aspecto del universo y en si los modelos y datos actuales permiten la presencia de estas topologías exóticas o no triviales.

La investigación se realiza como parte de la colaboración COMPACT que consta de un equipo internacional de científicos. Uno de los coautores del estudio, el profesor Glenn D. Starkman de la Universidad Case Western Reserve en Ohio, EE. UU., habló con Phys.org sobre el trabajo del equipo.

Al analizar su motivación para realizar este trabajo, dijo:"La posibilidad de que el universo tenga una topología 'interesante' está completamente dentro de nuestro modelo estándar de física, pero, sin embargo, normalmente se considera exótica".

"Durante mucho tiempo me ha preocupado que nos perdiéramos un descubrimiento extraordinario sobre nuestro universo simplemente mirando para otro lado. Mientras tanto, cada vez hay más pruebas de que el universo no es 'estadísticamente isotrópico', es decir, que la física es la misma en todas las direcciones. La topología es una forma muy natural para que la anisotropía se introduzca en nuestro universo."

Fondo cósmico de microondas

CMB es un tipo de radiación perteneciente al espectro de microondas. Predicho en la década de 1940 como un remanente del Big Bang, fue detectado en 1965 por accidente.

Después del Big Bang, que es como surgió el universo actual, no había nada más que una sopa de partículas y gases fundamentales a temperaturas y presiones extremadamente altas, a menudo denominada sopa primordial.

A medida que el universo se expandió, también se enfrió. Esto llevó a que las partículas fundamentales se combinaran para formar átomos. Hasta ese momento, los fotones interactuaban con estas partículas fundamentales y se dispersaban, impidiéndoles viajar libremente. Pero una vez que los átomos comenzaron a formarse, los fotones viajaron más libremente, unos 380.000 años después del Big Bang.

Esto marcó la propagación del CMB, que se considera un "resplandor" del Big Bang. Contiene información importante sobre el universo primitivo y los procesos posteriores que llevaron a la formación de estructuras a gran escala como estrellas y galaxias.

El CMB está presente en todas partes y, en su mayor parte, tiene una temperatura uniforme. Sin embargo, existen pequeñas fluctuaciones y anomalías en los datos del CMB que no se han explicado.

Los investigadores del PRL El estudio propone que estas fluctuaciones y anomalías en las mediciones de CMB pueden explicarse considerando topologías no triviales del universo, lo que significa que no tenemos que verlo como "plano".

Topología cósmica

La topología es una rama de las matemáticas que se ocupa de la forma y estructura de los objetos. Las reglas de la topología son bastante diferentes de las reglas de la geometría. Si bien la geometría y la topología son conceptos distintos, la geometría influye en la topología.

La geometría define cómo se curva el espacio (el espacio-tiempo se considera plano a pequeñas escalas) y la topología define la conectividad general del espacio.

Si tuviéramos un espacio plano, no podríamos tener topologías donde el espacio se curvara hacia adentro o tuviera bucles. Esto significa que para viajar entre dos puntos, tendríamos que tomar un camino en línea recta sin desvíos ni bucles.

El profesor Starkman explicó:"El universo puede ser como un videojuego antiguo, donde al salir del lado derecho de la pantalla aparecerías desde el izquierdo, para que puedas volver al punto de partida siguiendo un camino en línea recta. A esto se le llama estar multiconectado."

Esencialmente, el camino en línea recta sugiere que a pesar de la apariencia de movimiento continuo, la topología subyacente del espacio permite una conectividad inesperada, donde lo que parece una trayectoria lineal en realidad puede volver sobre sí mismo.

Círculos de temperatura coincidentes

Si el universo estuviera "multiplicadamente conectado" (es decir, tuviera una topología no trivial), observaríamos círculos de temperatura coincidentes. Esto se debe a que la luz que viaja desde una fuente (como una estrella) podría viajar por dos caminos diferentes y llegar al observador (la Tierra) desde dos direcciones.

Esto deja fluctuaciones de temperatura similares en un mapa CMB (o mapa de calor), lo que da como resultado círculos de temperatura coincidentes. Sin embargo, no ha habido evidencia que sugiera la presencia de estos círculos de temperatura coincidentes.

"La falta de círculos de temperatura coincidentes es lo que nos informa sobre la longitud del circuito cerrado más corto que nos atraviesa, pero no nos dice sobre la longitud de los circuitos que atraviesan otros lugares", dijo el profesor Starkman.

La ausencia de círculos de temperatura coincidentes en los datos del CMB sugiere que si existe una topología no trivial, los bucles que pasan por nuestra ubicación (la Tierra) deben ser relativamente pequeños.

Esto pone un límite a la longitud de estos bucles. El profesor Starkman explicó:"Si las anomalías del CMB se deben a la topología cósmica, entonces la longitud de los bucles más cortos que nos atraviesan no debería ser más de un 20-30% más larga que el diámetro de la última superficie de dispersión:una esfera con un radio igual a la distancia que la luz ha recorrido en la historia del universo."

Restricciones y búsquedas futuras

A la luz de la restricción anterior y de la búsqueda de una topología no trivial, los investigadores proponen formas adicionales de detectar dicha topología en el futuro.

En particular, mencionan alteraciones en los patrones estadísticos de las fluctuaciones de temperatura en los datos del CMB, así como en la estructura a gran escala del universo. Estas fluctuaciones o alternancias saldrían a la luz si estuviera presente una topología no trivial.

Sin embargo, estas detecciones requieren una enorme potencia computacional y los investigadores sugieren el uso de algoritmos de aprendizaje automático para acelerar los cálculos y extraer datos de CMB para detectar topologías no triviales.

"La búsqueda de la topología se reanudará después de una pausa de aproximadamente una década. Con suerte, podremos detectar la topología cósmica y así comprender el origen de la anisotropía de nuestro universo y vislumbrar los procesos responsables del surgimiento original de nuestro universo. " concluyó el profesor Starkman.

El estudio también destaca que incluso en ausencia de círculos explícitamente coincidentes, la presencia de anisotropía estadística (o anomalías) en el CMB indica la existencia potencial de información detectable sobre la estructura y topología del universo.