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.
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Los físicos están buscando evidencia de una antigua colisión con otro universo.
Al igual que muchos de sus colegas, Hiranya Peiris, cosmóloga del University College London, una vez rechazó en gran medida la noción de que nuestro universo podría ser solo uno de muchos en un vasto multiverso. Era científicamente intrigante, pensó, pero también fundamentalmente no comprobable. Ella prefería centrar su investigación en preguntas más concretas, como la evolución de las galaxias.
Luego, un verano en el Centro de Física de Aspen, Peiris se encontró conversando con Matt Johnson, del Instituto Perimeter, quien mencionó su interés en desarrollar herramientas para estudiar la idea. Sugirió que colaboraran.
Al principio, Peiris se mostró escéptico. “Como observadora, creo 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 forma de probar el concepto. Si el universo que habitamos hace mucho tiempo chocó con otro universo, el choque habría dejado una huella en el fondo cósmico de microondas (CMB), el tenue resplandor del 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 a veces chocan. Puede haber ocurrido un proceso similar en los primeros momentos del cosmos.
En los años transcurridos desde su reunión inicial, Peiris y Johnson han estudiado cómo una colisión con otro universo en los primeros momentos habría enviado algo similar a una onda de choque en todo nuestro universo. Piensan que pueden encontrar evidencia de tal colisión en los datos del telescopio espacial Planck, que mapea el CMB.
El proyecto podría no funcionar, reconoce Peiris. Requiere no solo que vivamos en un multiverso, sino también que nuestro universo colisionó con otro en nuestra historia cósmica primitiva. 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 citas conjuntas en el Instituto Perimetral de Física Teórica y la Universidad de York. Pero los científicos han creado muchas versiones de lo que podría ser un multiverso, algunas menos locas que otras.
El multiverso en el que Peiris y sus colegas están interesados no es la controvertida hipótesis de “muchos mundos” que se propuso por primera vez en la década de 1950 y sostiene que cada evento cuántico genera un universo separado. Este concepto de un multiverso tampoco está relacionado con el popular tropo de ciencia ficción de mundos paralelos, nuevos universos que surgen 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, explotando de una mota infinitamente pequeña a una que abarca un cuarto de billón de años luz en meras fracciones de segundo.
Sin embargo, la inflación, una vez iniciada, 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 continuará 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 de burbujas” como el que vivimos. Pero en escalas más grandes, la expansión exponencial continúa para siempre, y continuamente se crean nuevos universos de burbujas. 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 distintas de la física. “Si compra inflación eterna, predice un multiverso”, dijo Peiris.
En 2012, Peiris y Johnson se unieron 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 parecería 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 observarse potencialmente.
Olena Shmahalo / Quanta Magazine; fuente: SM Freeney et. al., cartas de revisión física
Para protegerse contra el error humano, tendemos a ver los patrones que queremos ver, idearon un conjunto de algoritmos para buscar automáticamente estos discos en los datos de la sonda de anisotropía de microondas Wilkinson (WMAP), un observatorio basado en el espacio. El programa identificó cuatro regiones potenciales con fluctuaciones de temperatura consistentes con lo que podría ser la firma 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. Simplemente saber cómo se vería 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 encuentran un buen modelo que ya entienden y lo adaptan haciendo pequeños ajustes que llaman “perturbaciones”. Por ejemplo, para modelar la trayectoria de un satélite en el espacio, un físico podría usar las leyes clásicas de movimiento descrito 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 la presión del viento solar. Para sistemas simples, solo debe haber pequeñas discrepancias del modelo no perturbado. Sin embargo, intente calcular los patrones de flujo de aire de un sistema complejo como un tornado, y esas aproximaciones se descomponen. 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 una tasa exponencial, precisamente el tipo de grandes saltos en los valores que hacen que el cálculo de la dinámica sea tan desafiante.
“Imagine que comienza con una cuadrícula, pero en un instante, la cuadrícula se ha expandido a un tamaño masivo”, dijo Peiris. Con sus colaboradores, ella ha utilizado técnicas como el refinamiento de malla adaptativa, un proceso iterativo de conocer los detalles más relevantes en una cuadrícula de este tipo a escalas cada vez más finas, en sus simulaciones de inflación para abordar la complejidad. Eugene Lim, físico del King’s College de Londres, descubrió que un tipo inusual de onda viajera podría ayudar a simplificar aún más las cosas.
