Fenómenos inexplicables nos sugieren que el universo no es lo que pensábamos

Artículo publicado originalmente por VICE Estados Unidos.

Aquí en la Tierra, estamos acostumbrados a leyes que cambian de acuerdo con las costumbres y demandas únicas de varias regiones. Por ejemplo, al conducir, en la mayoría de los lugares puedes dar vuelta a la derecha si está encendida la luz roja, pero esto no aplica en la ciudad de Nueva York, donde las normas de tránsito son más estrictas para mantener el orden en sus muy transitadas vías.

Las leyes físicas del universo, por el contrario, no se sujetan a ninguna variación localizada de este tipo, o eso dice nuestra mejor teoría. Los científicos operan bajo el supuesto de que existen leyes universales de la física que afectan a la materia de la misma manera en todas partes, desde nuestro propio vecindario solar hasta galaxias a miles de millones de años luz de distancia. En otras palabras, aunque obviamente hay variaciones en la densidad y la distribución de la materia en el espacio, los científicos suponen que el universo es estadísticamente homogéneo a grandes escalas de cientos de millones de años luz, porque los mecanismos del universo se aplican igualmente en todas partes.

Esta noción de leyes universales, conocida como el principio cosmológico, ha producido siglos de teoría y hasta ahora había sido confirmada por todas las observaciones astronómicas. El modelo de un universo isotrópico ayuda a explicar fenómenos cruciales como la homogeneidad de la radiación cósmica de fondo de microondas, la luz más antigua del universo, así como la aparente expansión del universo a una velocidad uniforme.

"En términos más tangibles, el principio cosmológico plantea: ¿Está el universo siendo justo con nosotros?", nos explico vía telefónica Robert Caldwell, profesor de física y astronomía en el Dartmouth College. "¿Las leyes de la física son las mismas en todas partes? ¿O hay una ubicación más favorecida en el universo?".

Si bien la mayor parte de la evidencia sugiere que el universo está siendo justo, también hay muchos comodines cósmicos que parecen contradecir al principio cosmológico. En los últimos meses, por ejemplo, dos equipos de físicos publicaron observaciones completamente diferentes de anomalías en el universo que sugieren variaciones potenciales en las leyes y fuerzas fundamentales.

Hay algo aún más extraño, esta nueva investigación refuerza los descubrimientos de estudios anteriores que esbozaban una "direccionalidad" en estas variaciones. En otras palabras, evocan un posible modelo del universo donde las leyes físicas cambian en ciertas direcciones como si estuvieran en un misterioso gradiente cósmico. Estos hallazgos no coinciden con otras pruebas de isotropía, o de homogeneidad del universo, que sugieren que en el universo no hay una dirección más favorecida.

Este tipo de resultados contradictorios no significan que tengamos que desechar el principio cosmológico, ya que se requiere una enorme cantidad de evidencia para echar abajo los principios físicos establecidos. Pero los nuevos estudios documentan fenómenos, tanto a escalas "locales" como extremadamente distantes, que actualmente no tienen explicación y que desafían nuestras expectativas fundamentales sobre el comportamiento del universo.

Hay cuatro fuerzas fundamentales conocidas de la naturaleza: la gravitación, el electromagnetismo y las interacciones nucleares débiles y fuertes. El principio cosmológico sugiere que estas fuerzas afectan la materia por igual en todo el universo, razón por la cual los objetos visibles, como las estrellas y las galaxias, generalmente se ven y se comportan de la misma manera en cualquier parte del cielo que mires.

Pero si miras un poco más de cerca, pueden surgir rarezas en las constantes físicas. Por ejemplo, la fuerza de la interacción electromagnética se calcula con un valor conocido como la constante de estructura fina. Esta constante se configura matemáticamente a partir de valores inmutables como la constante de Planck y la velocidad de la luz. Si el universo es verdaderamente isotrópico, la constante de estructura fina (como todas las constantes) nunca debería cambiar dentro de él.

Pero durante la última década, los científicos han medido esta constante en diferentes rincones distantes del universo y han encontrado evidencia de que puede fluctuar. Esta desconcertante tendencia alcanzó un nuevo nivel con "las mediciones directas más distantes de la constante de estructura fina hechas hasta la fecha", de una antigua galaxia "cuásar" a 13 mil millones de años luz de distancia, las cuales fueron publicadas en abril en un estudio en la revista Science Advances.

Aunque los científicos han estado utilizando la luz de los objetos cósmicos para probar la constante de estructura fina durante años, el nuevo estudio extiende el alcance del experimento hasta la infancia del universo, tan solo mil millones de años después del Big Bang.

"Hemos llegado más lejos que nunca", dijo en una llamada el coautor John Webb, cosmólogo de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney. "En términos de alcance retrospectivo en el tiempo, nos hemos acercado más que nunca al Big Bang. Si prefieres verlo en términos de distancia, hemos recorrido una distancia mayor hacia los inicios del universo de la que se había recorrido antes con cualquier medición directa de la fuerza electromagnética".

El equipo pudo lograr esta hazaña con un espectrógrafo especializado llamado X-SHOOTER en el sistema de telescopios Very Large Telescope (VLT) en Chile. La agudeza del instrumento en la parte del espectro del infrarrojo cercano les permitió a Webb y sus colegas observar los objetos con los más altos "desplazamientos hacia el rojo", lo que significa que están a una distancia más lejana y más atrás en el tiempo, lo que causa que su luz se vuelva rojiza.

Usando el X-SHOOTER, el equipo estudió la luz de un cuásar de 13 mil millones de años —un tipo de núcleo galáctico súper luminoso— llamado J1120+0641. En su camino a la Tierra, esta antigua luz se filtró a través de cuatro nubes de gas con desplazamientos hacia el rojo más bajos a lo largo de la línea de visión del J1120+0641. Webb y sus colegas utilizaron los patrones espectrales de la luz, a medida que pasaba a través de las nubes, para calcular el valor de la constante de estructura fina.

Esas observaciones no revelaron variaciones en la constante a lo largo del tiempo. Pero cuando los investigadores compararon su estudio con la amplia red de datos recopilados de otros puntos en investigaciones anteriores, descubrieron que coincidía con los indicios anteriores de posibles variaciones a lo largo de un eje espacial: las mediciones más fuertes provenían de la dirección que apunta hacia el centro galáctico de la Vía Láctea, y las mediciones más débiles fueron encontradas en la dirección opuesta. Esto evoca un modelo de universo "dipolo", el cual podría tener algo parecido a un polo norte y sur.

"Las fascinantes circunstancias científicas son que existen todos estos efectos extraños, indicios de anisotropía y direccionalidad en el universo, y muchos de ellos coinciden en el cielo", dijo Webb. "Quizás haya algún tipo de relación entre estas cosas que aún no entendemos del todo, y es interesante notar esta coincidencia".

Si bien las observaciones son ciertamente fascinantes, se necesitará más investigación para determinar lo que está causando estas aparentes fluctuaciones. Podrían terminar siendo el resultado de problemas más mundanos, como que tal vez los instrumentos que tenemos aún no son lo bastante precisos como para evitar grandes márgenes de error al realizar mediciones.

"Si se trata solo de un conjunto de coincidencias cósmicas o si es algo significativo en cuanto a la física fundamental, el origen y la evolución del universo realmente está por verse", dijo Webb. "Por ahora, simplemente hacemos investigación de la mejor manera posible, haciendo las mejores mediciones posibles y, en particular, entendiendo las incertidumbres en las mediciones lo mejor que podemos".

"Ahí es donde ponemos nuestro mayor esfuerzo: en tratar de asegurarnos de no engañarnos con algo, y simplemente seguir publicando los resultados y ver lo que ocurre al final", señaló.

La constante de estructura fina está lejos de ser la única migaja de pan cósmica que podría conducir a un modelo donde las leyes y las constantes varían a lo largo de todo el universo. Otro estudio publicado en abril, esta vez en la revista Astronomy & Astrophysics, también reportó extrañas anomalías en la luz de los rayos X emitida por el cúmulo de galaxias.

Según el estudio, los físicos dirigidos por Konstantinos Migkas, investigador en la Universidad de Bonn en Alemania, desarrollaron una nueva técnica para "estudiar el comportamiento direccional" de los rayos X emitidos por el gas caliente que rodea el cúmulo de galaxias. Sus hallazgos coinciden con algunos de los resultados obtenidos por otros equipos de investigación, lo que apuntando a que hay más posibles contradicciones del principio cosmológico.

"El cúmulo de galaxias no se ha utilizado antes para este tipo de estudio", dijo Migkas en una llamada telefónica, lo que lo convierte en "una nueva y útil herramienta para estudiar este principio cosmológico".

"Se nos ocurrió esta idea, un método completamente independiente, para probar lo que otras personas han estado probando durante un largo tiempo", continuó. "Y el resultado de estas observaciones fue muy sorprendente, con pruebas muy sólidas".

El cúmulo de galaxias es la estructura gravitacional más grandes del universo y contienen cientos o incluso miles de galaxias individuales. A medida que la luz de este cúmulo llega a la Tierra, se extiende debido a la expansión del universo, por ello la luz de los cúmulos más distantes se desplaza hacia el color rojo.

Migkas y sus colegas calcularon el brillo de los rayos X del gas en el cúmulo de galaxias utilizando dos métodos: uno derivado de la temperatura estimada del gas, un valor que no se ve afectado por la expansión del universo, y otro método que sí involucra el índice de expansión del universo. Fascinantemente, los resultados de estas dos pruebas no siempre coincidieron: el cúmulo de galaxias en una dirección específica fue sistemáticamente más débil de lo esperado, y el cúmulo de galaxias en otra dirección fue sistemáticamente más brillante de lo esperado.

Lo más extraño de todo esto es que las direcciones de estas luminosidades de rayos X coinciden aproximadamente con los patrones identificados por otro equipo de investigadores que ha estado buscando posibles anisotropías cósmicas, estos patrones fueron publicados en la revista Astronomy & Astrophysics

en 2019. Sin embargo, el cúmulo de galaxias no parece ser más brillante o más débil a lo largo del mismo eje dipolar de 180 grados que describió el equipo de Webb: el ángulo parece estar más cerca de los 120 grados.

De esta manera, varios modelos de direccionalidad potencial o anisotropías en el universo, basados en datos de observación, se superponen y entran en conflicto entre sí, además de contradecir a otros estudios que apoyan el modelo de isotropía cósmica a grandes escalas. Después de todo, el universo es una entidad extremadamente complicada y los humanos estamos desarrollando constantemente tecnologías que al surgir revelan nuevas capas de las extrañas complejidades universales.

Ante este escenario, Migkas y sus colegas presentaron varias explicaciones alternativas para sus extraños resultados. Sugirieron que las fuerzas gravitacionales cerca del cúmulo de galaxias podrían estar deformando la luz, o que la luz podría distorsionarse debido a las nubes de gas dentro de nuestra propia Vía Láctea (o que podría tratarse de

una combinación de estos factores).

"La dirección más brillante está sospechosamente cerca del centro galáctico", dijo Migkas. "Si tuviera que apostar, diría que la región más brillante es resultado de algunos problemas que ignoramos de los rayos X porque aún no los hemos descubierto en nuestra galaxia".

"La otra dirección, donde la luz es más débil, de hecho, corresponde con la dirección que otras personas encontraron en el pasado, utilizando métodos totalmente independientes", señaló.

Por supuesto, también es posible que estas observaciones realmente representen "nuevas leyes de la física" que anulen el principio cosmológico. Una explicación especulativa en ese sentido es que la energía oscura, la fuerza misteriosa que impulsa la expansión del universo, podría estar aplicando su fuerza de manera desigual en todo el espacio.

"La energía oscura podría formar, por ejemplo, aglomerados, como la materia normal o la materia oscura", dijo Migkas. "Hasta ahora, en nuestras mentes la consideramos como un campo de energía constante y uniforme, pero bien podría ser un material que forma aglomerados o estructuras".

"Una distribución desigual de este material en un lado del universo o en el otro causaría tal anisotropía", agregó.

Mientras que el equipo de Webb captó anomalías potenciales que se encuentran a grandes distancias y tiempos en el pasado, las observaciones registradas por Migkas y sus colegas provienen de cúmulos de galaxias a unos cuatro mil millones de años luz de la Tierra. Sigue siendo una distancia enorme, sin duda, pero representa una era más moderna en la historia cósmica, una en la que la energía oscura ha tenido más impacto que los primeros años del universo.

"Si esto está sucediendo principalmente a distancias cortas, podría tener algo que ver con la energía oscura, porque la energía oscura no juega un papel muy importante en distancias más lejanas", dijo Migkas. "Y no sabemos nada sobre la energía oscura, ¿cierto? No conocemos su naturaleza ni su comportamiento, por lo que solo hacemos suposiciones acerca de ella. Nada obliga a la energía oscura a ser isotrópica, por lo que podría tener alguna incidencia en todo esto, si resulta ser cosmológica".

Al igual que en el caso de los demás hallazgos, este nuevo estudio que revela extrañas anisotropías y una posible direccionalidad en el universo tendrá que ser evaluado a medida que se recopilen más datos.

"La personas tratamos de preservar siempre el modelo estándar de cualquier cosa", dijo Migkas. "A medida que más y más evidencia comience a surgir, intentaremos encontrar extensiones para nuestro modelo actual. Solo en caso de ser absolutamente necesario cambiaremos nuestro modelo".

"Trataremos de concentrarnos en las explicaciones alternativas antes de cambiar el modelo cosmológico", concluyó, "y eso es lo más adecuado".

Estos dos nuevos estudios son solo los más recientes en una larga tradición de pruebas de la isotropía cósmica. Por ejemplo, los científicos llevan años recolectando pistas cósmicas sobre la direccionalidad y la anisotropía en el universo mediante el estudio de las supernovas distantes o la explosión de estrellas.

A medida que nuestras herramientas de observación se vuelven cada vez más sofisticadas, es probable que surja una compleja serie de evidencias de diversas fuentes que sustenten los modelos de isotropía cósmica, anisotropía cósmica o, incluso, de permutaciones aun más extrañas del universo.

"Tenemos un modelo estándar y estamos buscando pequeñas grietas en él que, si insistimos en encontrarlas, podrían revelar una estructura más rica o una teoría más confiable", dijo Caldwell, quien no participó en ninguno de los dos estudios.

"Es demasiado fácil aceptar algo como el principio cosmológico y la validez de las leyes de la física, porque en realidad son cosas que debes determinar experimentalmente", agregó. "Dado que hay grandes misterios que estamos tratando de develar, nos corresponde comprobar estos supuestos fundamentales, en especial el principio cosmológico".