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Las colisiones de multiverso pueden salpicar el cielo
Al principio de la historia cósmica, nuestro universo puede haber chocado con otro, un choque primordial que podría haber dejado huellas en el resplandor del Big Bang.
Los físicos están buscando evidencia de una colisión antigua con otro universo.
Como muchos de sus colegas, Hiranya Peiris , cosmólogo del University College London, una vez descartó en gran medida la idea de que nuestro universo podría ser solo uno de muchos en un vasto multiverso . Pensó que era científicamente intrigante, pero también fundamentalmente imposible de comprobar. Prefería centrar su investigación en cuestiones más concretas, como cómo evolucionan las galaxias.
Entonces, un verano en el Centro de Física de Aspen, Peiris se encontró charlando con el Matt Johnson , quien mencionó su interés en desarrollar herramientas para estudiar la idea. Sugirió que colaboraran.
Al principio, Peiris se mostró escéptico. “Creo, como observador, que cualquier teoría, por interesante y elegante que sea, carece seriamente si no tiene consecuencias comprobables”, dijo. Pero Johnson la convenció de que podría haber una manera de probar el concepto. Si el universo que habitamos hubiera chocado hace mucho tiempo con otro universo, el choque habría dejado una huella en el fondo de microondas cósmico (CMB), el tenue resplandor de el Big Bang. Y si los físicos pudieran detectar tal firma, proporcionaría una ventana al multiverso.
Erick Weinberg , físico de la Universidad de Columbia, explica este multiverso comparándolo con un caldero hirviendo, con las burbujas que representan universos individuales, bolsas aisladas de espacio-tiempo. A medida que la olla hierve, las burbujas se expanden y algunas veces chocan. Un proceso similar pudo haber ocurrido en los primeros momentos del cosmos.
En los años transcurridos desde su encuentro inicial, Peiris y Johnson han estudiado cómo una colisión con otro universo en los primeros momentos del tiempo habría enviado algo similar a una onda de choque en nuestro universo. Creen que pueden encontrar evidencia de tal colisión en los datos del telescopio espacial Planck, que mapea el CMB.
El proyecto podría no funcionar, admite Peiris. Requiere no solo que vivamos en un multiverso, sino también que nuestro universo colisionó con otro en nuestra historia cósmica primordial. Pero si los físicos tienen éxito, tendrán la primera evidencia improbable de un cosmos más allá del nuestro .
Cuando las burbujas chocan
Las teorías del multiverso alguna vez fueron relegadas a la ciencia ficción o al territorio chiflado. «Parece que te has ido a una tierra loca», dijo Johnson, quien tiene nombramientos conjuntos en el Instituto Perimetral de Física Teórica y la Universidad de York. Pero los científicos han ideado muchas versiones de lo que podría ser un multiverso, algunas menos locas que otras.
El multiverso en el que están interesados Peiris y sus colegas no es la controvertida hipótesis de «muchos mundos» que se planteó primero propuesto en la década de 1950 y sostiene que cada evento cuántico genera un universo separado. Este concepto de multiverso tampoco está relacionado con el popular tropo de ciencia ficción de los mundos paralelos, nuevos universos que se desprenden de nuestro espacio-tiempo y se convierten en reinos separados. Más bien, esta versión surge como consecuencia de la inflación, una teoría ampliamente aceptada de los primeros momentos del universo.
La inflación sostiene que nuestro universo experimentó un repentino estallido de rápida expansión un instante después del Big Bang, estallando desde una mota infinitesimalmente pequeña a una que abarca un cuarto de billón de años luz en meras fracciones de segundo.
Sin embargo, la inflación, una vez que comienza, tiende a nunca detenerse por completo. Según la teoría, una vez que el universo comience a expandirse, terminará en algunos lugares, creando regiones como el universo que vemos a nuestro alrededor hoy. Pero en otros lugares, la inflación simplemente seguirá yendo eternamente hacia el futuro.
Esta característica ha llevado a los cosmólogos a contemplar un escenario llamado inflación eterna. En esta imagen, las regiones individuales del espacio dejan de inflarse y se convierten en «universos burbuja» como en el que vivimos. Pero a mayor escala, la expansión exponencial continúa eternamente y continuamente se crean nuevos universos burbuja. Cada burbuja se considera un universo por derecho propio, a pesar de ser parte del mismo espacio-tiempo, porque un observador no podría viajar de una burbuja a la siguiente sin moverse más rápido que la velocidad de la luz. Y cada burbuja puede tener sus propias leyes físicas distintas. «Si compras la inflación eterna, predice un multiverso», dijo Peiris.
En 2012, Peiris y Johnson se asociaron con Anthony Aguirre y Max Wainwright – ambos físicos de la Universidad de California, Santa Cruz – para construir un multiverso simulado con solo dos burbujas. Estudiaron lo que sucedió después de que las burbujas chocaron para determinar qué vería un observador. El equipo concluyó que una colisión de dos universos de burbujas nos aparecería como un disco en el CMB con un perfil de temperatura distintivo.
Una antigua colisión con un universo de burbujas habría alterado la temperatura del fondo cósmico de microondas (izquierda), creando un disco débil en el cielo (derecha) que podría potencialmente ser observado.
Olena Shmahalo / Quanta Revista; fuente: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
Para protegernos contra el error humano, tendemos a ver los patrones que queremos ver, idearon un conjunto de algoritmos para busque estos discos en los datos de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP), un observatorio espacial. El programa identificó cuatro regiones potenciales con fluctuaciones de temperatura consistentes con lo que podría ser una señal de una colisión de burbujas. Cuando los datos del satélite Planck estén disponibles a finales de este año, los investigadores deberían poder mejorar ese análisis anterior.
Sin embargo, detectar firmas convincentes del multiverso es complicado. El simple hecho de saber cómo podría ser un encuentro requiere una comprensión profunda de la dinámica de las colisiones de burbujas, algo bastante difícil de modelar en una computadora, dada la complejidad de tales interacciones.
Al abordar un nuevo problema, los físicos generalmente encontrar un buen modelo que ya comprendan y adaptarlo haciendo pequeños ajustes que ellos llaman «perturbaciones». Por ejemplo, para modelar la trayectoria de un satélite en el espacio, un físico puede usar las leyes clásicas del movimiento esbozadas por Isaac Newton en el siglo XVII y luego hacer pequeños refinamientos calculando los efectos de otros factores que podrían influir en su movimiento, como presión del viento solar. Para sistemas simples, solo debe haber pequeñas discrepancias con el modelo imperturbable. Intente calcular los patrones de flujo de aire de un sistema complejo como un tornado, sin embargo, esas aproximaciones se rompen. Las perturbaciones introducen cambios repentinos y muy grandes en el sistema original en lugar de refinamientos más pequeños y predecibles.
Modelar colisiones de burbujas durante el período inflacionario del universo temprano es similar a modelar un tornado. Por su propia naturaleza, la inflación extiende el espacio-tiempo a un ritmo exponencial, precisamente el tipo de grandes saltos en los valores que hacen que el cálculo de la dinámica sea tan desafiante.
“Imagina que comienzas con una cuadrícula, pero dentro de una instantáneamente, la red se ha expandido a un tamaño masivo ”, dijo Peiris. Con sus colaboradores, ha utilizado técnicas como el refinamiento de la malla adaptativa, un proceso iterativo de eliminar los detalles más relevantes en una cuadrícula de este tipo a escalas cada vez más finas, en sus simulaciones de inflación para lidiar con la complejidad. Eugene Lim , físico del Kings College de Londres, descubrió que un tipo inusual de onda viajera podría ayudar a simplificar aún más las cosas.
Respuesta
Todo se se está expandiendo, y esto es una pregunta natural para hacer. ¿Cómo puede todo expandirse alejándose de cualquier otra cosa y aun así colisionar?
Parte de la culpa de esta confusión radica en el tipo de diagramas y lenguaje que usamos para demostrar la expansión del universo. Si digo «el espacio entre cada galaxia se está expandiendo, de modo que cada galaxia parece alejarse de todas las demás galaxias», esa es una buena manera de hacer que imagines una expansión del espacio. También significa que estoy ignorando todo lo que está sucediendo y que podría estar complicando la situación, para que la idea de expansión del espacio sea lo más clara posible.
En este caso, lo que complica la situación es nuestro viejo amigo de la gravedad. Si cada galaxia del universo estuviera espaciada uniformemente, por ejemplo, si todas estuvieran dispuestas como si fueran puntos en una cuadrícula, entonces la descripción simple también es precisa. No habría otra cosa. Cada galaxia continuaría evolucionando en total aislamiento, alejándose lentamente de cualquier otra cosa.
Simulación numérica de la densidad de materia cuando el universo tenía 4.700 millones de años. La formación de galaxias sigue los pozos gravitacionales producidos por la materia oscura, donde el gas hidrógeno se fusiona y las primeras estrellas se encienden. Crédito de la imagen: V. Springel et al. 2005, Nature, 435, 629
Este no es el aspecto de nuestro universo.Nuestro universo parece mucho más telaraña que una cuadrícula, con grandes nudos de galaxias y pequeños filamentos de galaxias que se extienden desde cada nudo. Los grandes nudos son cúmulos de galaxias y pueden contener miles de galaxias. Sus contrapartes más pequeñas, los grupos de galaxias, tienen algunas galaxias en ellos. Nuestra propia galaxia está en un grupo pequeño, con Andrómeda, y un montón de galaxias enanas muy pequeñas.
Estos cúmulos y grupos son lo que sucede cuando las galaxias se forman lo suficientemente cerca unas de otras que la gravedad puede unirlas. Si una galaxia está lo suficientemente cerca de otra galaxia y no se mueve demasiado rápido, la gravedad evitará que se separen de nuevo. Estas galaxias pueden pasar muchos miles de millones de años cayendo unas hacia otras, y generalmente se perderán entre sí en el primer intento de colisión, por lo que pasarán muchos miles de millones de años volviendo a juntarse por un segundo, y luego quizás un tercer intento. Nuestra galaxia y Andrómeda se encuentran en la primera etapa de caída juntas, lo que probablemente tomará unos 3 mil millones de años más antes de que sea difícil desenredar nuestras dos galaxias.
Este sistema consta de un par de galaxias, denominadas NGC 3690 (o Arp 299), que hicieron un paso cercano hace unos 700 millones de años. Como resultado de esta interacción, el sistema experimentó un feroz estallido de formación estelar. En los últimos quince años, aproximadamente, han surgido seis supernovas en los confines de la galaxia, lo que convierte a este sistema en una distinguida fábrica de supernovas. Crédito: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration y A. Evans (University of Virginia, Charlottesville / NRAO / Stony Brook University)
Fundamentalmente, el hecho de que ver colisiones de galaxias se reduce a dos cosas; las galaxias no se formaron en una cuadrícula, y la fuerza de expansión de nuestro universo es menos fuerte que la fuerza de la gravedad para las galaxias que están cerca unas de otras. Si la fuerza de expansión fuera mucho, mucho más fuerte de lo que es, entonces ni siquiera la gravedad podría unir a las galaxias, y cada galaxia sería realmente un universo insular, aislado para siempre. Afortunadamente para nosotros, la gravedad sigue reinando siempre que las condiciones sean las adecuadas.