Espaguetis del universo

2009/10/01 Urrestilla, Jon - Fisikan doktorea eta Sussexeko Unibertsitateko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Astrofisika

Si una de las transiciones de fase del universo fuera equivalente a la conversión del agua líquida en hielo, el estudio de los riachuelos atrapados en el hielo permitiría conocer el universo antiguo.

Dmitry Maslov/350RF

Las cuerdas cósmicas son errores topológicos. Cuando el universo era muy joven, se produjeron transiciones de fase cosmológicas que podrían dar lugar a errores y que son las cuerdas cósmicas.

Intentemos entenderlo con una analogía: supongamos que una de las fases de transición del universo es algo equivalente a la conversión del agua líquida en hielo. Por lo tanto, a altas temperaturas tendríamos agua líquida y al bajar la temperatura el agua se convertiría en hielo. Pero es posible (según la teoría que utilizamos) que dentro del hielo aparezcan arroyos de agua líquida. Si esto ocurriera, los que vivimos en una fase fría (hielo), podremos observar cómo era la fase cálida observando esos riachuelos. Estos arroyos son análogos a los defectos, los fragmentos de alta temperatura (arroyos) que han permanecido en la fase de baja temperatura (hielo).

Energías muy altas

Los errores que predicen los modelos cosmológicos de alta energía tienen, en la mayoría de los casos, forma de cuerda, es decir, son objetos unidimensionales. Además, tienen unas propiedades increíbles: aunque tienen una anchura mucho menor que la de un átomo (quizás la anchura de un protón), la longitud es medida en años luz (se extienden a lo largo de todo el universo). La masa también es enorme: una cuerda de un kilómetro tendría la misma masa que la Tierra! Puede ser de ayuda tener una imagen mental normal: las cuerdas cósmicas son similares a las de espaguetis muy largo, muy fino y de gran masa.

En cosmología es muy difícil detectar errores y, de alguna manera, sólo son conocidos en el ámbito teórico. Pero en otros ámbitos de la física se producen errores. En la física de la materia condensada, por ejemplo, aparecen defectos en cristales líquidos, materiales ferromagnéticos, superconductores, etc. Estos errores pueden ser analizados en laboratorio, lo que permite una interesante relación entre materia condensada y cosmología. En cualquier caso, aunque no se hayan visto en cosmología, es bastante lógico pensar que los errores pueden estar en el universo, ya que existen en otros ámbitos de la física.

Las cuerdas cósmicas son posibles en muchas teorías de alta energía, incluida la teoría de las supercuerdas (por lo tanto, aunque con conceptos totalmente diferentes, las supercuerdas y las cuerdas cósmicas tienen algunos enlaces). Y, si aparecieran, aparecerían en una energía muy alta, muy superior a la que se puede obtener en los aceleradores de partículas. Encontrar cuerdas supondría un gran avance para la física básica. Para muchos, las cuerdas cósmicas son una de las pocas posibilidades de probar directamente la teoría de las supercuerdas.

Representación de la creación y evolución del universo.

(Foto: WMAP (NASA)

Pero, como hemos dicho, es muy difícil observar directamente las cuerdas cósmicas. Imaginemos que las cuerdas cósmicas se formaron en el universo recién nacido. En aquella época el universo parecía espaguetar un plato. Pero a medida que el universo se enfría y crece, la densidad de cuerda fue disminuyendo. Ahora sólo unos pocos espaguetis están en nuestro plato (nuestro universo observable). Estar cerca de nosotros es un hecho muy poco probable. Por lo tanto, en lugar de medir directamente las cuerdas, deberemos medir sus efectos indirectos, por ejemplo mediante el efecto de las cuerdas sobre la radiación microondas de fondo (CMB) o mediante el efecto de la lente gravitatoria.

Indicios indirectos

La lente gravitatoria es un fenómeno conocido en la astrofísica: si hay un objeto de gran masa entre una galaxia alejada de nosotros y nosotros (por ejemplo, un conjunto de galaxias), la luz de la galaxia lejana se deteriora como consecuencia de ese objeto intermedio y la imagen se distorsiona. El análisis de la distorsión permite deducir las propiedades del objeto central con masa. Asimismo, si existiera una cuerda cósmica entre la galaxia remota y nosotros, la imagen se distorsionaría, pero la distorsión que producen las cuerdas y la provocada por cualquier otra masa son diferentes. En el caso del efecto normal de la lente gravitatoria (producido por objetos astrofísicos de alta masa, como conjuntos de galaxias), aparecerán numerosas imágenes de un solo objeto remoto, generalmente en forma de anillo o arco. En el caso del efecto de la lente gravitatoria que producirán las cuerdas, también se producirán múltiples imágenes del objeto remoto, pero, al contrario que en el otro caso, todas las imágenes tendrán el mismo aspecto, como si estuvieran repetidas.

Esto es lo que vieron al observar el objeto denominado CSL-1 (Capodimonte-Stenberg-Lens, 1º candidata): dos galaxias muy similares entre sí. Para explicar un objeto de este tipo, sólo existen dos posibilidades: el efecto de la lente gravitatoria producida por una cuerda cósmica (por lo tanto, dos imágenes iguales de una sola galaxia), o que dos galaxias con propiedades muy similares (tanto en fotometría como en espectroscopia) estén juntas (desde nuestro punto de vista). Ambas opciones son muy poco probables y para conocer la respuesta real se realizaron observaciones más precisas. Cuando el Telescopio Hubble observó el CSL-1, observó que ambas imágenes no eran exactamente iguales. No se trataba de una cuerda, sino de dos galaxias similares. El equipo que encontró el CSL-1 sigue buscando más objetos de este tipo, esperando encontrar una cuerda.

El objeto CSL-1 era candidato a la cuerda cósmica. Cuando observaron con el telescopio Hubble (arriba a la derecha) vieron que eran dos galaxias contiguas, no el efecto de una cuerda cósmica.

(Foto: M. Sazhin et al.)

La otra posibilidad que hemos mencionado es la CMB, la radiación microondas de fondo. El CMB es muy homogéneo, pero tiene algunas anisotropías, algunos gránulos. Estos granos, aunque pequeños, han sido medidos en experimentos cosmológicos. Se conoce el paradigma que explica muy bien las anisotropías: la inflación. Según la inflación, el universo creció exponencialmente a corto plazo. Pero también puede ser la formación de cuerdas cósmicas al final de la inflación. Al mover las cuerdas por el universo provocarán perturbaciones y atraerán la materia. Estas perturbaciones formarán también anisotropías, además de anisotropías generadas por la inflación. Si hubiera cuerdas cósmicas, podríamos medir estas perturbaciones "extra" generadas en el CMB y detectar las cuerdas indirectamente.

Las anisotropías de cmb que generarían las cuerdas cósmicas se pueden simular mediante superordenadores y compararlas con las anisotropías de temperatura de CMB medidas por experimentos cosmológicos. Tomemos los mejores datos cosmológicos disponibles, como los aportados por WMAP. Utilizando modelos de inflación, intentemos ajustar los datos lo mejor posible. Ahora, teniendo en cuenta también las perturbaciones extras generadas por las cuerdas, también ajustaremos los datos. Mediante este análisis, los experimentos numéricos nos dicen que si tenemos en cuenta las cuerdas cósmicas podemos explicar mejor los datos. No podemos decir con certeza que hemos encontrado cuerdas. Además, con otros datos cosmológicos (además del CMB) no es tan evidente la existencia de cuerdas. Necesitamos datos nuevos y más precisos. Quizás nos ayude el satélite Planck que despegó en mayo. Planck medirá el CMB con gran precisión, tanto la anisotropía de temperatura como la anisotropía de polarización. Otros experimentos también realizarán nuevas mediciones.

Satélite Planck. Los datos que recabará pueden ayudar a confirmar la teoría de las cuerdas cósmicas.

ESA

Pero en cualquier caso, con los datos actuales, podemos afirmar que los datos no dicen que no haya cuerdas. Y la simple detección de cuerdas es muy importante. Si los nuevos datos dejan claro que las cuerdas no se formaron, tendremos que descartar algunos modelos cosmológicos y, quizás, crear nuevos modelos. Por otro lado, si podemos observar las cuerdas, veremos las reliquias del universo recién nacido, una oportunidad única para ver cómo era el universo recién nacido.

Cuerdas cósmicas y supercuerdas

En principio, estos dos objetos no tienen ninguna relación, sino el nombre. Ambas son "cuerdas", ya que ambas son unidimensionales, pero son objetos totalmente diferentes.

Las supercuerdas son parte de una teoría. Para describir la física de alta energía tenemos un modelo estándar, y la teoría es realmente exitosa. Sin embargo, no sabemos unificar el modelo estándar con la teoría de la gravedad, o bien, utilizando otras palabras: no disponemos de la teoría cuántica de la gravedad. Pues bien, la teoría de las supercuerdas es la que tiene mejor futuro para conseguir esa "teoría de todo".

En el modelo estándar las partículas son puntuales, por ejemplo, si imaginamos el electrón es una especie de "bolita". En la teoría de las supercuerdas, por el contrario, los componentes básicos son objetos unidimensionales, no objetos puntuales. Estas son las supercuerdas y, como componentes de la gravedad cuántica, son muy pequeñas (~10 -33 cm). Las partículas normales conocidas (electrón, etc.) serían las vibraciones de estas supercuerdas.

Hay varias teorías de supercuerdas; la teoría de supercuerdas no es la única. Pero todas las teorías necesitan dimensiones extras para ser matemáticamente sólidas; nuestras 3+1 dimensiones diarias (3 dimensiones espaciales + tiempo) no son suficientes. Según el modelo, necesitan 10 o 26 dimensiones.

A la izquierda, representación de supercuerdas. A la derecha, cuerdas cósmicas. En el nombre tienen la mayor relación, ya que son objetos totalmente diferentes.

(Foto: Jean Fran ois Colonna/N. Bevis)

Las cuerdas cósmicas, en cambio, no son elementos básicos de la teoría, sino las consecuencias de las transiciones de fase que se producen en las teorías de los campos. Diversas teorías físicas predicen transiciones de fase y las cuerdas cósmicas son errores topológicos que se forman en las transiciones de fase cosmológicas. Los errores pueden tener varias dimensiones: las dimensiones 0 se denominan monopolos; las unidimensionales, cuerda; las bidimensionales, pared de dominio.

Como hemos dicho, las cuerdas cósmicas no son estructuras básicas, sino que están formadas por algo básico. En general, como aparecen en las teorías de los campos, estarán configuradas por ámbitos. Por ejemplo, podemos imaginar una cuerda cósmica "convencional" como un tubo que lleva campo magnético. En general, las cuerdas cósmicas son muy largas y nuestras dimensiones 3+1 son suficientes para ellas, ya que aparecen en teorías zonales "normales".

Utilizando la analogía acuática del texto, las cuerdas cósmicas serían los ríos de agua que quedaron en el hielo; las líneas de agua líquida. Las supercuerdas serían los componentes que forman el agua, y los átomos de agua, tanto en hielo como en agua líquida, serían las vibraciones de las supercuerdas básicas. Es decir, las estructuras básicas que forman nuestro universo acuático (los átomos de agua) son supercuerdas; los errores que genera este universo al pasar del líquido al hielo (los ríos de agua líquida atrapados en el hielo) son cuerdas cósmicas.

Sin embargo, la situación es algo más complicada. Si la teoría de las supercuerdas es la "teoría de todo", podemos utilizarla para explicar la cosmología. Pues si con supercuerdas explicamos la cosmología, veremos que se producen transiciones de fase. Y en estas transiciones es posible que aparezcan objetos largos unidimensionales. Por lo tanto, las cuerdas cósmicas no sólo surgen en las teorías de los campos, sino que también pueden aparecer en las teorías de las supercuerdas: ¡tenemos supercuerdas cósmicas!

A los físicos nos gustaría comprobar si la teoría de los supercuerdas es la verdadera teoría que aparece en la naturaleza, pero no es fácil (aunque sepamos que las cuerdas cósmicas se pueden observar a través del CMB). Imaginemos, sin embargo, que mediante experimentos cosmológicos encontramos cuerdas cósmicas. Imaginemos también que sabemos exactamente que las perturbaciones provocadas por las cuerdas cósmicas "normales" y las supercuerdas cósmicas son diferentes y sabemos diferenciarlas. Entonces, por primera vez estaríamos estudiando directamente la teoría de los supercuerdas. Eso es imaginar mucho y todavía tenemos que hacer mucho trabajo, tanto teóricamente como experimentalmente. Pero realmente puede ser una oportunidad perfecta para poder ver más de cerca la "teoría de todo".