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¿Universo isotrópico o no?

Título: How Isotropic is the Universe?
Autores: D. Saadeh, S.M. Feeney, A. Pontzen, H.V. Peiris and J.D. McEwen
Institución del primer autor: University College London, London, UK
Estado: Aceptado en Physical Review Letters, Sept 2016
Astrobites original:  Gourav Khullar

Al terminar de leer este artículo, habrás aprendido dos cosas:

1.- Un ‘Modelo de Bianchi’ es un nombre genial para un modelo hipotético del Universo.

2.- One Direction es una banda terrible, excepto por esta canción en particular con un video que fue grabado en la NASA.

La Relatividad General y la Cosmología dieron origen al modelo cosmológico actual del Universo – el famoso modelo Lambda-CDM. Este es un Universo hecho de materia ordinaria, materia oscura fría y energía oscura. Uno de los pilares de este modelo es algo llamado el Principio Cosmológico, el cual dice que el Universo es homogéneo e isotrópico a grandes escalas. La isotropía implica que no hay direcciones privilegiadas, mientras que la homogeneidad significa que no hay lugares privilegiados. Con respecto a nuestro Universo observable, esto quiere decir que un observador ve la misma distribución de materia, sin importar dónde se encuentre en el Universo, y sin importar hacia qué dirección del cielo mire. Esto obviamente no es cierto cuando miras en la dirección (o te paras en medio de) un cúmulo de galaxias, por ejemplo, el cual tiene una concentración de materia mucho más densa que la mayor parte del Universo, pero en escalas suficientemente grandes (de millones de años luz), las observaciones indican que la homogeneidad y la isotropía son principios válidos. La Figura 1 ilustra el hecho de que estas propiedades están relacionadas, pero son diferentes.

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Figura 1: Casos de homogeneidad e isotropía que se satisfacen independientemente, en ejemplos en a) 3-D y en b) 2D.

 

Es crucial entender que es posible construir un modelo del Universo que es homogéneo pero no isotrópico, es decir, un Universo que tiene aproximadamente la misma densidad, pero una dirección privilegiada en donde la distribución de galaxias (o incluso la materia gaseosa) está más aglomerada o esparcida. Podríamos estar en un Universo con una densidad uniforme, como M&Ms alineados en líneas rectas en un pastel de chocolate – en la dirección de la línea recta, el Universo se ve diferente de como se ve en una dirección diagonal.

¿Es lo contrario posible? Si el Principio Cosmológico tiene algún sentido, no tenemos ninguna razón para creer que vivimos en un lugar especial del Universo. De esta manera, la isotropía de distintos lugares del Universo implica que éste es homogéneo. Esto significa que si en promedio veo el mismo número de galaxias desde la tierra en todas direcciones, y si de alguna manera sé que vería el mismo número en promedio, incluso si estoy sentado en un planeta a millones de años luz de aquí, entonces esto debe implicar que la densidad numérica de galaxias en el Universo es la misma en promedio. Genial, ¿no?

Una forma ingeniosa  en que los astrofísicos han descubierto que el Universo podría ser isotrópico es mirando la Radiación de Fondo de Microondas (CMB, por sus siglas en inglés) – la radiación proveniente de una época en que el Universo era muy joven, la cual es una señal del período en cuando la materia y la radiación tomaron caminos distintos. El CMB es una radiación que es uniforme aproximadamente hasta 1 parte en 100.000 – ¡en cualquier dirección hacia la que mires! Ya que el CMB indica el camino aproximado que las perturbaciones a la materia tuvieron desde el Universo temprano, éste sugiere un Universo isotrópico (y por consiguiente, homogéneo. Sin embargo, hay algo más que debemos considerar.

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Figura 2: El mapa de Planck del CMB en todo el Universo. Si bien tiene casi la misma temperatura en toda región, en escalas muy pequeñas es posible detectar anisotropías, representadas por las zonas azules y rojas en el mapa.

 

El CMB sí tiene anisotropías en su temperatura – la parte 1 de 100.000 mencionada anteriormente. Esto significa que vale la pena investigar modelos teóricos del Universo que demandan homogeneidad, pero permiten un nivel sutil de anisotropía, pudiendo así comparar estos modelos con datos de telescopios que estudien el CMB, como el satélite PLANCK. Esos modelos teóricos son llamados Modelos de Bianchi.

El artículo que estudiamos hoy caracteriza algunos modelos de Bianchi relacionados con la anisotropía del CMB. La anisotropía dicta que los fotones del CMB del Universo temprano viajaron por distintos caminos en distintos tiempos (lo cual cambia su orientación o polarización, debido a la pequeña anisotropía. Esto es llamado “cizallamiento” (shearing, en inglés) de los fotones CMB, un efecto que aún no es posible detectar en los mapas del CMB. En este paper se estudiaron varios nuevos modelos de cizallamiento, con el objetivo de investigar si el Universo es definitivamente isotrópico, o casi completamente isotrópico con pequeñas fluctuaciones y algunas direcciones levemente preferidas. Para esto, el equipo no sólo usa datos de temperatura del CMB, sino también mediciones de su polarización, la cual nos dice la orientación de los fotones (especialmente, es una caracterización de sus campos magnéticos y eléctricos), lo cual significa mayor información acerca del cizallamiento producido por esas anisotropías.

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Figura 3: Temperatura y datos de polarización que fueron usados para reconstruir el mapa del CMB del Universo, con modelos de Bianchi que concordaron con las predicciones del modelo Lambda-CDM.

En este estudio, el Universo fue modelado como un fluido perfecto con materia oscura, energía oscura y materia bariónica normal, el cual se puede expandir de acuerdo al formalismo de la Relatividad General y las anisotropías del CMB, es decir, el Universo puede desviarse de la isotropía mientras sigue manteniendo sus propiedades de tal manera que sus parámetros cosmológicos se asemejan a los que se observan en el Universo real. Dejando de lado los resultados teóricos, el equipo concluyó que los modelos de Bianchi considerados en el trabajo se parecen a Lambda-CDM en mayor grado. En otras palabras, tuvieron éxito en mejorar nuestro entendimiento acerca de la isotropía de nuestro Universo. Por tanto, al menos por ahora, nuestro Universo es plano, homogéneo e isotrópico. No hay una dirección privilegiada. ¡Larga vida al modelo Lambda-CDM!

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