¿Un Universo Retorcido?

por para Ciencia Hoy el . Publicado en Ciencia en el Mundo, Número 42.

Un análisis reciente de viejos y nuevos datos astronómicos llevó a dos científicos norteamericanos a proponer que el universo no resultaría isótropo, como se lo considera actualmente, sino que habría direcciones privilegiadas en él. Tal afirmación descalifica de entrada al llamado principio cosmológico, que declara al universo como siempre el mismo, no importa desde dónde se lo mire (homogeneidad) o hacia dónde se lo mire (isotropía), y que constituye una de las bases en la que se sustenta el modelo Big Bang.

"¿De qué lado del universo queda tu casa?" Es una pregunta sin sentido cuando se vive en un universo que es el mismo, no importa desde dónde ni hacia dónde se lo mire. Sin embargo, dos astrofísicos norteamericanos, Borge Nodland y John Ralston, han presentado evidencia que sugiere que la respuesta "vivo cerca del eje", puede ser posible.

El modelo de universo con el que cosmólogos y astrofísicos trabajan actualmente, y que se conoce como teoría de la gran explosión o Big Bang, tiene al principio cosmológico entre sus postulados básicos. Cuando se le pregunta a un cosmólogo o astrofísico en qué consiste dicho principio, suele responder, austera y parcamente, en los siguientes términos: el universo es isótropo y homogéneo. Steven Weinberg, en su libro Los tres primeros minutos del universo, lo explica de esta forma: Intuitivamente, equivale a suponer que, en cualquier momento, el Universo presenta el mismo aspecto para un observador ubicado en cualquier galaxia típica y cualquiera sea la dirección en que mire". Hasta este año este postulado básico no había sido cuestionado por las observaciones disponibles.

Sin embargo, en su número del 21 de abril, la revista Physical Review Letters publicó un trabajo de dos astrofísicos, Borge Nodland, de la Universidad de Rochester y John Ralston, de la Universidad de Kansas, quienes presentaron evidencias de que el principio cosmológico podría no ser válido, ya que el espacio muestra indicios de violar la condición de isotropía. Los resultados obtenidos son el producto de un análisis de 160 galaxias que se caracterizan por emitir un tipo de radiación electromagnética, conocida como radiación de sincrotrón, producida por electrones que, al ser eyectados por la galaxia, giran en rápidas órbitas espirales alrededor del campo magnético galáctico. En lo que concierne a los resultados de Nodland y Ralston, la característica fundamental de este tipo de radiación es su alto grado de polarización. Para comprender este hecho debemos dedicar unas líneas a la estructura de la radiación electromagnética.

Una onda electromagnética es una perturbación que viaja por el espacio y consiste en un campo eléctrico y uno magnético que oscilan, y cuyas magnitudes y direcciones obedecen a las ecuaciones del electromagnetismo, conocidas como ecuaciones de Maxwell. Por ejemplo, cuando este tipo de ondas se propaga en el vacío, dichas ecuaciones establecen que ambos campos oscilantes son perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación. De acuerdo con esto, se dice que un haz de radiación está linealmente polarizado si el campo eléctrico viaja a través del espacio contenido en un plano (Fig. 1).

Fig 1. Una onda electromagnética está compuesta de dos campos oscilantes: uno eléctrico, E y otro magnético, B, perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación. Se puede ver que el campo eléctrico oscila contenido en el plano definido por los ejes x e y. En este caso, se dice que la onda presenta una polarización lineal.

Fig 1. Una onda electromagnética está compuesta de dos campos oscilantes: uno eléctrico, E y otro magnético, B, perpendiculares entre sí y perpendiculares a la dirección de propagación. Se puede ver que el campo eléctrico oscila contenido en el plano definido por los ejes x e y. En este caso, se dice que la onda presenta una polarización lineal.

Ahora bien, ya en 1845, Michael Faraday observó que si un haz de luz polarizada atraviesa una región en donde existen campos magnéticos o partículas cargadas, el plano de polarización del haz de luz sufre una rotación cuya magnitud depende de la intensidad del campo magnético y de la densidad de partículas cargadas.

Este fénomeno, denominado actualmente "efecto Faraday", es bien conocido y extensamente aplicado en astrofísica. En particular, es el responsable de la rotación del plano de polarización de la radiación de sincrotrón que, desde una galaxia emisora, alcance a la Tierra, dado que en el trayecto esta radiación atraviesa campos magnéticos y regiones que contienen partículas cargadas -básicamente, electrones-.

Fig 2. Eje que señala la dirección aproximada de la máxima anisotropía: desde la Tierra, apunta hacia la galaxia Sextante en un sentido, y hacia la del Aquila, en el sentido opuesto.

Fig 2. Eje que señala la dirección aproximada de la máxima anisotropía: desde la Tierra, apunta hacia la galaxia Sextante en un sentido, y hacia la del Aquila, en el sentido opuesto.

Lo que Nodland y Ralston notaron es que el plano de polarización de dicha radiación parece sufrir una rotación adicional a la producida por el efecto Faraday. Lo interesante de esta "anomalía" es su dependencia decisiva respecto de la dirección de observación, hecho que permite definir dos ejes o direcciones perpendiculares para las cuales la rotación adicional alcanza valores máximos y mínimos, respectivamente. Desde la Tierra, el eje orientado en la dirección en la que se produce la mayor rotación del plano de polarización apunta hacia la constelación del Sextante, en un sentido, y en el opuesto, hacia la constelación de Aquila (Fig. 2). Es a partir de este hecho que se hace plausible la hipótesis de un tipo de anisotropía espacial a escala cosmológica.

Esta dependencia del plano de polarización con la dirección en la que viaja la onda es análoga a la que muestra el plano de polarización de la luz que se propaga en el interior de ciertos cristales llamados birrefringentes.Debido a que la red de átomos que compone este tipo de sustancias cristalinas no presenta una configuración simétrica, la fuerza de enlace entre el núcleo y los electrones varia con la dirección. Al propagarse la luz en el interior de un cristal, el campo eléctrico de la onda de luz entrega energía a los electrones.

La excitación de los electrones estará subordinada a la fuerza de enlace que, como se dijo, depende de la dirección. Al excitarse, los electrones reemiten ondas secundarias que se recombinan, dando como resultado global una variación del plano de polarización de la luz.

Al aceptar la analogía entre un cristal birrefringente y los resultados que Nodland y Ralston interpretan como anisotropía espacial, debemos tener en cuenta que estamos hablando de la "estructura" del espacio a escala cosmológica, y que en este caso no existe una red de átomos que nos permita explicar la anisotropía. Al respecto, comenta Nodland: "Se puede conjeturar que es el vacío en si mismo el que ostenta una forma de birrefringencia o anisotropía similar a la birrefringencia que muestran muchos cristales".

Vale la pena aclarar que las limitaciones impuestas por la precisión de los datos obligan a considerar para la dirección de máxima anisotropía, en lugar de un simple eje, un doble cono con vértice en la Tierra y una amplitud de 20°, aproximadamente. Por otra parte, el efecto de rotación adicional es tan pequeño que para obtener una revolución completa del plano de polarización, la onda debería viajar alrededor de mil millones de años. Esto puede dar una idea de los sutiles obstáculos que los autores debieron superar para "rescatar" este fenómeno del ruido de fondo presente en los datos disponibles. Para citar sólo algunas de estas dificultades, en los datos analizados se tuvieron que tener en cuenta las posibles perturbaciones de la ionósfera terrestre, la cual contiene partículas cargadas; posibles efectos locales (esto es, provenientes de nuestra galaxia), o la posibilidad de que fuertes campos magnéticos de la galaxia emisora pudieran producir una inesperada orientación de la polarización inicial.

Si bien Nodland y Ralston presentan una teoría matemática, enmarcada en la Teoría Cuántica de Campos, que permite describir las observaciones, la interpretación del parámetro que introduce el nuevo efecto permanece abierta. Probablemente, afirman, el Big Bang no fue perfectamente simétrico, pues pudo presentar una torsión inicial que hoy se observaría como una ondulación o deformación respecto de una isotropía ideal. Otra posibilidad sugerida por los autores asignaría como causa del fenómeno la existencia de un tipo desconocido de partícula presente en el espacio intergaláctico y que podría tener propiedades semejantes a las del axión, partícula que, si bien no ha sido observada, cuenta desde fines de la década del 70 con toda una línea de trabajos en los que se discute acerca de sus propiedades.

Los resultados presentados por Nodland y Ralston no han recibido, sin embargo, un apoyo completo de la comunidad científica. Tres días después de la publicación de su trabajo, D. Eisenstein, del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton y E. Bunn del Bates College, ambos en los EE.UU., publicaron un trabajo en el que criticaban el método estadístico utilizado por los primeros y en el que sostenían, además, que Nodland y Ralston habían ignorado cierto sesgo en las observaciones originales, lo que les impediría reconocer un positivo falso. Poco después Carroll y G. Field, del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian publicaron, también, otro artículo con críticas similares.

Un filósofo de la ciencia del siglo pasado, C. S. Peirce, habló de ciertas exigencias que los científicos parecen reclamar a sus teorías, a las que llamo'" virtudes no epistémicas". El principio de simplicidad es una de ellas. Otra, que parece resultar muy cara a la física del siglo xx, es la conservación de ciertas simetrías, que en última instancia, son formas sofisticadas del principio de simplicidad. En el caso de la isotropía espacial, el hecho de que las leyes de la naturaleza dependan de la orientación del laboratorio no sólo resulta molesto y complicado, sino que atenta contra ciertos principios implícitos de naturaleza, digamos, estética. De acuerdo con esto se comprende que, si se acepta la hipótesis de un Big Bang asimétrico, una posibilidad extrema, casi fanática, si bien no descartada, que permitiría conservar la simetría espacial sería la siguiente: la torsión inicial en el instante del Big Bang pudo haber sido compensada por una torsión de igual magnitud pero opuesta, aplicada sobre un segundo universo que nació simultáneamente al nuestro.

Conscientes de las consecuencias de sus afirmaciones, Nodland y RaIston afirman en las últimas líneas de su trabajo que son necesarios más datos, en especial, provenientes del cielo del hemisferio sur. "Desde un punto de vista científico -afirman, casi disculpándose- nosotros reportamos lo que encontramos, a partir de los datos existentes."

Diego Hurtado de Mendoza

Diego Hurtado de Mendoza

Laboratorio de Geofísica, UBA-CONICET