El principio cosmológico. Segunda parte: Pruebas observacionales

Las pruebas más importantes de que la distribución de materia y campos en el universo es homogenea e isótropa a cierta escala las proporcionan (o pueden proporcionar) los siguientes fenómenos:

Fondo cósmico de microondas

El fondo cósmico de microondas es una distribución de fotones que presenta una curva de un cuerpo negro prácticamente perfecto. Un cuerpo negro está en equilibrio termodinámico a una temperatura determinada y su espectro de emisión (la cantidad de fotones a una y otra frecuencia) tiene una curva muy característica que depende sólo de la temperatura del cuerpo. Este equilibrio termodinámico es la evidencia más sólida de la homogeneidad e isotropía del universo.

Según el modelo del big-bang, hubo una época en la cual el universo estuvo formado por una sopa de partículas, en la cual los fotones chocaban constantemente con los electrones en un proceso que se conoce como scattering o interacción de Thomson. Esta sopa era prácticamente homogenea, exceptuando ciertas anisotropías denominadas primarias. Debido a la expansión del universo, esta sopa de partículas perdió temperatura hasta que los electrones y los protones que deambulaban también por ahí, se unieran felizmente para formar hidrógeno neutro (formado por un protón y un electrón). Los fotones se encontraron entonces con camino libre para viajar sin interacción, ya que los electrones con los que habían estado chocando antes dejaron deambular libremente y quedadon ligados a los protones. Este periodo de la historia del universo se denomina recombinación y ocurrió unos 400.000 años después del big-bang a una temperatura de 3.000° K. La materia y la radiación quedaron disociadas (a la recombinación se la denomina también a veces desacople) y a partir de entonces seguirán básicamente caminos distintos (aunque esto no es cierto del todo y dará lugar a las denominadas anisotropías secundarias).

La radiación citada la observamos hoy en el fondo cósmico de microondas y admiramos su homogeneidad e isotropía.

Mapas de galaxias

El instrumento matemático básico para analizar la distribución de galaxias es la función de correlación. Dada una distribución de objetos cualesquiera, estimando la probabilidad de que dado un objeto en un volumen se encuentre otro objeto separado una distancia dada del primero, se puede definir una función denominada función de correlación de dos puntos. Esta función proporciona una medida de la desviación sobre una distribución estadísticamente homogenea (una distribución de Poisson).

Si uno multiplica la distancia dada por un valor arbitrario (es decir, hace un cambio de escala) y obtiene la misma función de correlación excepto una constante multiplicativa, se dice que la distribución del objeto en cuestión presenta una invariaza de escala. La constante multiplicativa proporciona la dimensión de correlación (que da una medida de cómo de ramificada está la distribución), que está en relación con la dimensión fractal (que da una medida de cómo la estructura es capaz de rellenar el espacio).

Para escalas menores que 100 Mpc, la distribución de galaxias es aparentemente fractal y cumple lo mencionado arriba. Sin embargo, para escalas mayores que 100 Mpc esto no es así y se observa homogeneidad e isotropía [1].

Velocidades peculiares

En un universo sin velocidades peculiares el único "movimiento" medible (que no es realmente un movimiento) sería el flujo de Hubble. Las velocidades peculiares aparecen debido a la gravitación a la que están sometidas las galaxias a escalas de cúmulos galácticos (donde, además, la geometría del espacio-tiempo no tiene por qué ser necesariamente la de Robertson-Walker, que es la que describe un espacio homogeneo e isótropo en expansión).

Hubo una época del universo en la cuál las perturbaciones gravitatorias no eran suficiéntemente grandes para producir velocidades peculiares notables. Esto es visible en la homogeneidad e isotropía del fondo cósmico de microondas. Entonces no había grandes inhomogeneidades de densidad energética que pudieran dar lugar a movimientos peculiares, pero desde entonces el colapso gravitacional ha ido creciendo y las velocidades peculiares aumentando.

Los estudios sistemáticos de las velocidades peculiares tienen una historia algo turbulenta y no parece haber resultados muy claros, por lo menos por el momento. Un resumen corto y claro se encuentra aquí.

Fuentes de radio

El método es similar al mencionado en las galaxias. Las fuentes de radio (cuasares) también están agrupadas pero a grandes escalas de más de 100 Mpc su distribución también parece ser homogenea e isótropa. Además, proporcionan una muestra que, en promedio, se encuentra a un desplazamiento al rojo mayor que las galaxias.

Fondo cósmico de rayos-X

De forma algo similar al fondo cósmico de microondas, existe un fondo de rayos-X (y ultravioleta extremo, cosa que nos llevará un día de estos a un interesante periplo por la inacabada historia de un proyecto español) llenando todo el cielo.

Su razón se cree en múltiples fuentes no resueltas de galaxias activas (AGN) con emisión de rayos-X, aunque su curiosa homogeneidad e isotropía siguen siendo algo misteriosas.

En la próxima entrega sobre este tema intentaré explicar las razones de que el universo cumpla el principio cosmológico a la escala a la que se observa que lo cumple (100 Mpc en el universo actual y cuando tenía sólo 400.000 años a prácticamente cualquier escala), así como la razón de que no lo cumpla donde no lo cumple (por debajo de 100 Mpc hoy y en las anisotropías primarias cuando tenía sólo 400.000 años, así como la especulación de qué puede ocurrir a escalas mayores que el universo observable).