¿Qué forma tiene el Universo?

El Universo observable tiene un diámetro de 93.000 millones de años luz. El Cosmos, que está expandiéndose de forma acelerada desde hace 13.800 millones de años a partir del Big Bang, es increíblemente grande. De hecho, es lo más grande.

El Universo lo contiene todo pero no está dentro de nada. Y uno de los mayores misterios sobre el Cosmos es el de su forma. Y es que, ¿cómo podemos saber la forma de algo que nos contiene? Si ya fue complicado para la humanidad descubrir que nuestra Tierra es esférica, el reto de determinar la forma del Universo se antojaba prácticamente imposible.

Por suerte, las más brillantes mentes de la Astronomía han dedicado grandes esfuerzos a responder a esta. Una de las incógnitas más asombrosas. ¿Qué forma tiene nuestro Universo? Muchas teorías se han propuesto. Se ha hablado de un Cosmos plano, esférico, hiperbólico e incluso, por sorprendente que parezca, con forma de donut.

En el artículo de hoy nos embarcaremos en un apasionante viaje hacia los límites del Universo para hacer una recopilación de todo lo que sabemos acerca de su geometría. Todo parece indicar que es plano, pero quédate con nosotros para descubrir el porqué. Te va a estallar la cabeza.

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El Principio cosmológico: descartando geometrías en el Universo

A priori, existen infinitas geometrías que pueden dar forma al Universo. Y es que tú puedes decirme que tiene forma de tortuga y pensar que, como no podemos saberlo con exactitud, no puedo desmentírtelo. Y siento decirlo, pero sí que podemos. Por una cosa que se llama Principio cosmológico.

El Principio cosmológico es una hipótesis que nos dice que, de acuerdo a todas las mediciones y estimaciones matemáticas, el Universo es isótropo y homogéneo. Como hipótesis que es, puede desmentirse en un futuro, pero por el momento se toma como verdadera.

Esto significa, básicamente, que el Universo es igual en todos lados. Es decir, que no hay ningún punto del Cosmos sustancialmente distinto a otro. Más allá de que cada región es única en lo que a galaxias, estrellas, planetas, etc, se refiera, el espacio en sí es homogéneo.

Pero, ¿qué quiere decir que sea isótropo? La isotropía observada en el Universo como un todo significa que las propiedades físicas que inspeccionamos no dependen de la dirección en la que son examinadas. El Cosmos transmite sus elementos igualmente en cualquier dirección. Los resultados obtenidos en el análisis de magnitudes del Universo son iguales sin importar qué dirección elijamos para el análisis.

Con esta homogeneidad y esta isotropía, ya podemos descartar prácticamente todas las geometrías imaginables. Para que se cumpla tanto el hecho de que el Cosmos sea igual en todos los puntos del espacio y que las magnitudes sean las mismas sin importar la dirección de observación, solo puede tener una forma uniforme.

En otras palabras, todas aquellas geometrías que no sean uniformes quedan descartadas. Por lo tanto, no puede ser ni un cubo, ni un triángulo, ni un rectángulo, ni un rombo, ni, lo siento, una tortuga. Solo puede ser una geometría uniforme.

En este sentido, gracias al Principio Cosmológico, nos estamos quedando, básicamente, con cuatro geometrías posibles y, por lo tanto, tenemos cuatro hipótesis en lo que a forma del Universo se refiere:

• Hipótesis euclídea: La hipótesis euclídea nos dice que la geometría del Universo sería plana. Es decir, el espacio que contiene las galaxias del Cosmos sería, en realidad, plano. Aunque esta forma implicaría que el Universo es infinito y que, por lo tanto, no hay bordes.

• Hipótesis esférica: La hipótesis esférica nos dice que la geometría del Universo sería la de una esfera. Es decir, el espacio que contiene las galaxias del Cosmos sería, en realidad, una bola esférica cerrada. Esta forma implicaría que el Universo es, al estar cerrado, finito. No podría ser infinito.

• Hipótesis hiperbólica: La hipótesis hiperbólica nos dice que la geometría del Universo sería una hipérbole. Es decir, el espacio que contiene las galaxias del Cosmos sería, en realidad, una hipérbole, una curva abierta. Una patata Pringle, para que nos entendamos. Tendría una curvatura como la esfera pero no llegaría a cerrarse. Al no estar cerrado, esto implica que, al igual que en la hipótesis plana, el Universo sería infinito.

• Hipótesis toroidal: La hipótesis más sorprendente. La geometría toroidal sugiere que la forma del Universo sería la de un donut. Sí, el espacio que contiene las galaxias del Cosmos tendría, según esta hipótesis, la forma de una rosquilla. Esto permitiría la existencia de un Universo plano pero finito.

En resumen, con el Principio Cosmológico estamos descartando todas las geometrías no uniformes y quedándonos con cuatro hipótesis principales. La forma del Universo solo puede ser de cuatro tipos: euclídea, hiperbólica, esférica o toroidal. Ahora bien, ¿el Universo es una esfera, un plano, una hipérbole o un donut gigante? Sigamos nuestro viaje.

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El fondo cósmico de microondas: ¿qué geometría tiene el Universo?

Como ves, hemos avanzado mucho. De una infinidad de geometrías, nos hemos quedado solo con cuatro. El Universo es o una esfera, o un plano, o una hipérbole o un donut. No hay más. Una de estas cuatro es la geometría real del Universo. El problema es quedarnos con uno de estos cuatro candidatos. Tenemos que ir descartando.

¿El Universo tiene forma de donut?

Y, por desgracia, porque sé que era el que querías, recientemente se ha descartado la geometría toroidal. El Universo no tiene, en principio (y al final del artículo haremos una puntualización), forma de donut. Pero, ¿por qué?

La teoría de la forma de donut es muy atractiva y, realmente, da respuesta a muchas incógnitas acerca de la geometría del Universo. Su existencia sería totalmente posible, pues una curvatura del espacio con esta forma permitiría que tuviéramos un espacio plano pero finito. Con la teoría del Universo plano (la geometría euclídea), es necesario, sí o sí, que el Cosmos sea infinito. Con la toroidal, podemos tener un Universo cuyo espacio es finito pero sigue siendo plano.

Si fuera un donut, podríamos movernos en un espacio plano pero, te movieras hacia donde te movieras, volverías al mismo sitio. Tiene una curvatura tanto longitudinal (como si rodearas el borde completo del donut) como transversal (como si pusieras un anillo en el donut). Esto explica muchas cosas que observamos en el Universo, pero falla en un aspecto clave.

La geometría de donut nos dice que no es que las galaxias se sitúen siguiendo una forma de donut (porque esto implicaría la existencia de un borde que no vemos), sino que el espacio que las contiene tiene, en efecto, forma de rosquilla. Esto permitiría la existencia de un Universo finito que, gracias a esta curvatura de rosquilla, parecería infinito. Esto es muy bonito, pero, como decimos, falla.

Y es que las dos curvaturas (la longitudinal y la transversal) son demasiado diferentes. Una (la longitudinal) es mucho más grande que la otra (la transversal). Y “diferente” implica falta de homogeneidad. Y “falta de homogeneidad” implica romper con el Principio cosmológico que hemos comentado.

Si el Universo tuviera forma de donut, teniendo en cuenta la existencia de dos curvaturas distintas, la luz se propagaría de formas distintas. Dependiendo de dónde viniera la luz, la percibiríamos de forma diferente. Y esto no es lo que sucede. Como hemos dicho, el Universo es isótropo. Nosotros vemos que tiene siempre la misma curvatura.

Así que, a pesar de que haremos una puntualización final, la geometría de donut queda, por desgracia, descartada. Se ha quedado en las semifinales. A la final llegan la forma esférica, la plana y la hiperbólica. ¿Cuál será la ganadora?

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¿Esfera, plano o hiperbólico? ¿Cómo es el Universo?

Hemos llegado casi al final de nuestro viaje. Como hemos visto, las únicas geometrías permitidas tanto por lo que dicen los modelos matemáticos como por las observaciones que hemos hecho del Cosmos, así como por el Principio cosmológico, son la euclídea, la hiperbólica y la esférica. Es decir, el Universo o es plano, o es una hipérbole (es como una patata Pringle) o es esférico. Punto.

Como hemos mencionado antes, si tiene la forma plana o hiperbólica, el Universo tendría que ser, sí o sí, infinito. Y si tiene la forma esférica, tiene que ser, sí o sí, finito. El hecho de ser una esfera permitiría que, pese a no ser infinito, se repitiera.

Entonces, si descubrimos si el Universo es infinito o finito, ¿podremos saber su forma? Ojalá. Es más, si descubriéramos que es finito, ya podríamos confirmar que es esférico. El problema es que es imposible saber si el Universo tiene un final o no. Así que debemos buscar otra manera de encontrar la geometría del Cosmos.

Y aquí es donde entra en juego, por fin, el fondo cósmico de microondas. Basta con saber que es la radiación que nos ha llegado del Big Bang. En otras palabras, son los restos fósiles más antiguos del Universo. Es lo más lejano (y antiguo) que podemos percibir de nuestro Universo. Procede de una época donde no había luz, solo radiación. Y nosotros podemos percibir esta radiación.

Pero, ¿qué tiene que ver con esto de la geometría? Bueno, pues que esta radiación ha viajado mucho para llegar hasta nosotros. Muchísimo. Así que si hay algo en el Universo que haya podido experimentar los efectos de la curvatura (o no curvatura) del Cosmos, es este fondo cósmico de microondas.

Estaremos de acuerdo en que si el Universo es plano, su curvatura es de 0. Y si es esférica o hiperbólica, tendrá curvatura. Y, por lo tanto, dicha curvatura será distinta de 0. Esto está muy claro y es muy lógico. Además, si la curvatura es positiva (mayor que 0), querrá decir que su forma es esférica. Y si la curvatura es negativa (menor que 0), será hiperbólica.

¿Y cómo calculamos esta curvatura? Pues viendo la distorsión que ha sufrido (o la que no ha sufrido) esta radiación cósmica a lo largo de su viaje desde el Big Bang. Lo que buscaban los astrónomos era ver cómo la radiación cósmica de fondo se veía afectada por la curvatura del Universo.

Como ves, el fondo cósmico de microondas tiene una serie de manchas. Pues bien, lo que hacemos es comparar las estimaciones matemáticas de tamaño de dichas manchas con el tamaño que realmente vemos, es decir, con lo que nos ha llegado. Si el Universo tuviera forma esférica, su curvatura sería positiva, cosa que habría hecho que la distorsión provocara que viéramos las manchas más grandes de lo que los modelos matemáticos estiman.

Si, por el contrario, el Universo tuviera forma hiperbólica (una curva abierta), su curvatura sería negativa, cosa que habría hecho que la distorsión provocara que viéramos las manchas más pequeñas de lo que los modelos matemáticos estiman.

Y, por último, si el Universo fuera plano, su curvatura sería nula, cosa que habría hecho que no hubiera distorsión en el fondo cósmico de microondas y que viéramos dichas manchas con el mismo tamaño que el que estiman los modelos matemáticos.

¿Y qué vemos? Vemos que no hay distorsión. O, como mínimo, que estamos muy cerca del 0 en curvatura. Por lo tanto, con esto que hemos visto, el Universo no puede ser ni esférico ni hiperbólico. El análisis de distorsión de la radiación cósmica de fondo indica que la geometría del Universo es plana.

Entonces, ¿qué forma tiene el Universo?

Como hemos visto, las últimas investigaciones apuntan en la dirección de que el Universo es plano. El problema es que, pese a que sabemos que ronda el 0 de curvatura, no podemos estar totalmente seguros de ello. El hecho de que tuviera una ligera curvatura lo cambiaría absolutamente todo, pues no solo es que podría ser esférico o hiperbólico, sino que pasaríamos de una idea de Universo infinito a una concepción de Cosmos finito.

Además, no sabemos cuál es la escala real del Universo. Sabemos que es inmenso. Pero no cómo de inmenso. Estamos limitados por lo que podemos ver, que viene determinado por la velocidad de la luz. Quizás el problema es que la porción que nosotros podemos medir sea, en efecto, plana, pero el Universo es tan increíblemente (mucho más de lo que creemos) que, a lo mejor, seamos una parcela que parece plana dentro de un “todo” esférico, hiperbólico e incluso con forma de donut. Nos podría pasar lo mismo que en la Tierra. A escala humana, su superficie parece plana. Pero porque la curvatura es imperceptible.

En resumen, el Universo que podemos medir parece plano o, como mínimo, con una muy ligera curvatura. Pero esto no significa que podamos estar seguro de ello. La respuesta, pues, parece lejos de ser respondida del todo. Hasta que no sepamos con exactitud si es infinito o, de ser finito, cómo de grande es realmente, la geometría del Universo seguirá siendo un enorme misterio.