Planck, Copérnico y el poder de la simetría.

Un artículo reciente publicado en Physical Review Letters pone nuevos límites a la isotropía observada en el Universo, reafirmando el principio de Copérnico con más resolución que nunca.

images.pngLas ecuaciones de Einstein de la relatividad general.

En mi último año como estudiante en la universidad hice un curso de la relatividad general, recuerdo que pasamos dos meses estudiando cosmología. Uno de los primeras hipótesis que estudiamos, era que el Universo es homogéneo e isótropo. Este principio fue asumido por Friedman, por Lemaitre, por Robertson y por Walker en lo que se conoce como el modelo cosmológico FLRW.

La relatividad general implica complicadas ecuaciones, 10 en concreto, que se acoplan entre sí, y que no puede ser resueltas de manera analítica a menos que hagamos algunas hipótesis de simetría para simplificarlas. La homogeneidad e isotropía son dos hipótesis muy razonables. Aunque vemos estrellas en posiciones y direcciones particulares, a gran escala, todos los puntos en el universo y todas las direcciones parecen iguales, no hay una dirección o posición privilegiada en el universo.

lemaitre-thisAlbert Einstein y George Lemaitre.

Esto no es fácil de verificar mediante observación, o por lo menos no lo era en la década de 1930, cuando la cosmología estaba apareciendo en escena. Pero, sin embargo, suponer un universo homogéneo e isótropo ha dado un gran éxito en la descripción del mismo. Las predicciones basadas en modelos cosmológicos FLRW, sobre la composición y la evolución del universo, han sido una gran prueba de estas hipótesis.

En las dos últimas décadas, gracias a los nuevos datos de observación de los telescópios COBE, WMAP y Planck, algunos resultados anteriores han sido verificados con mayor precisión que nunca, como la radiación de fondo de microondas cósmico, o la composición del universo (Alan Lightman presenta de manera original estos descubrimientos en El Universo Accidental). Sin embargo, estas observaciones también han dado lugar a nuevas preguntas, no fáciles de responder. La cosmología ha incorporado nuevos ingredientes como la materia oscura y la energía oscura. Estos elementos son aceptados por una parte importante de la comunidad científica, pero hay otros científicos que creen que no existe la materia oscura y/o energía oscura, y la respuesta es un enfoque diferente.

Hay científicos importantes que tratan de modificar las ecuaciones de la relatividad de Einstein para explicar por qué el universo parece estar expandiéndose un ritmo acelerado, por ejemplo. Otros investigadores asumen que el universo no contiene energía oscura, en cambio, las observaciones han sido mal interpretadas, debido al supuesto de que el universo es homogéneo e isótropo. Tener algunas direcciones preferidas podría ayudar a explicar las observaciones sin necesidad de incluir al sector oscuro.

En esta publicación reciente, un grupo de investigación en Londres, ha analizado los datos de los telescopios espaciales que concluyen que el universo es altamente isotrópo. Ellos han considerado un universo homogéneo, pero no isotrópo. Estos supuestos conducen a soluciones de las ecuaciones de Einstein conocidos como cosmologías de Bianchi. Hay varias de estas soluciones posibles, en función de los tipos de no-isotropía considerados. Utilizando datos de la temperatura del fondo cósmico de microondas y de la polarización, tomadas por el satélite Planck, los investigadores han llegado a la conclusión de que la probabilidad de que el universo sea anisótropo es muy pequeña.

medium.png

La figura representan el patrón de falta de homogeneidad en el fondo cósmico de microondas que se produciría debido a la pequeña expansión anisótropa del universo. Cada mapa del universo (cada elipse) muestra la temperatura, la polarización eléctrica (E), y polarización magnética (B), estos últimos magnificado 30 veces para ver las faltas de homogeneidad.

Sus resultados, después de la comparación de las simulaciones numéricas con las observaciones, señalan que la probabilidad de tener un universo no isótropo es de 1 en más de cien mil.

Más sobre esto trataremos en la Jornada: SCIENCE needs YOU en Figueres el 29 de Octubre de 2016.

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