Hace más de diez años, mientras tomaban la temperatura del universo, los astrónomos encontraron algo extraño. Descubrieron que un trozo de cielo, que abarcaba la anchura de 20 lunas, era inusualmente frío.
Los astrónomos estaban midiendo la radiación de microondas que baña todo el universo, una reliquia brillante del big bang. Contemplar este fondo cósmico de microondas, o CMB, es vislumbrar el universo primordial, una época en la que tenía menos de 400.000 años.
Lo que ahora se perfila como la principal hipótesis es un supervacío cósmico
El CMB cubre el cielo y tiene prácticamente el mismo aspecto en todas partes, ardiendo a una temperatura débilmente fría de 2,725 kelvins, apenas un par de grados más caliente que el cero absoluto. Pero armados con el recién lanzado satélite WMAP, los astrónomos se propusieron sondear variaciones de temperatura tan diminutas como una parte entre 100.000. Nacidas de la espuma cuántica que fue el universo medio momento después del big bang, esas fluctuaciones aleatorias ayudan a los científicos a entender de qué está hecho el cosmos y cómo surgió todo.
Y en medio de esas fluctuaciones destacaba un punto frío. A lo largo de los años, los astrónomos han propuesto todo tipo de ideas para explicarlo, desde un error instrumental hasta universos paralelos. Pero ahora, están apuntando a un sospechoso principal: una enorme caverna de vacío llamada supervacío cósmico, tan grande que podría ser la mayor estructura del universo.
Según la teoría, un vacío tan vasto, en el que no existe ni una estrella ni una galaxia, puede dejar una huella gélida en el CMB. La respuesta al misterio, entonces, podría ser simplemente un montón de nada. Sin embargo, los enigmas persisten, y el caso está lejos de estar cerrado.
Cómo hacer un punto frío
El punto frío no es la única cosa extraña en el CMB. Los científicos han encontrado varias otras anomalías de este tipo: por ejemplo, las señales de la mitad del cielo parecen ligeramente más fuertes que la otra mitad. La teoría estándar de la cosmología, que por otra parte ha sido profética en la predicción de los detalles del CMB, no puede explicar completamente estas rarezas, de las cuales la mancha fría es una de las más prominentes.
Una realmente grande podría actuar como una especie de lente distorsionadora
La explicación más simple para las anomalías es que son casualidades, artefactos del azar entre las fluctuaciones aleatorias de temperatura del CMB. Cuando se lanza una moneda cien veces, siempre hay una posibilidad de obtener 20, 30 o incluso 50 caras seguidas. El reto para los científicos es averiguar si esas anomalías se deben a la suerte o a una moneda ponderada. En cuanto al punto frío, los datos muestran que la probabilidad de que sea una casualidad es de una entre 200. No es imposible, pero tampoco es probable.
Algunos científicos habían sugerido que la mancha fría se debía a un error instrumental o en la forma en que se analizaron los datos. Pero en 2013, nuevas observaciones del satélite Planck confirmaron detecciones anteriores de la mancha fría. Y exigió una explicación.
Lo que ahora se perfila como la hipótesis principal es un supervoide cósmico. Toda la materia del cosmos -galaxias y materia oscura invisible- se extiende por el espacio en una vasta red de láminas, zarcillos y filamentos. En medio hay bolsas de vacío llamadas vacíos, que tienen muchas formas y tamaños. Uno realmente grande podría actuar como una especie de lente distorsionadora, haciendo que el CMB parezca más frío de lo que realmente es.
Mientras un fotón avanza dentro de un vacío, el universo continúa expandiéndose cada vez más rápido
La razón es ésta: Cuando la luz viaja a través de un vacío, pierde energía y su frecuencia disminuye, desplazándose hacia la frecuencia más baja, el extremo más rojo del espectro. Como la mayoría de las cosas, la luz es susceptible a la influencia de la gravedad, que puede actuar sobre los fotones a lo largo de su viaje. Sin embargo, en el interior de un vacío, la escasez de materia hace que apenas haya gravedad que influya en la luz. Para un fotón, volar a través del vacío es como escalar una colina. Y escalar requiere energía.
Pero el fotón puede recuperar esa energía. Una vez que sale del vacío, se encuentra de nuevo rodeado de materia, y la influencia gravitatoria es suficiente para tirar de él, inyectándole la energía que había perdido.
Para que un fotón pierda energía, se necesita la expansión acelerada del universo. Mientras un fotón avanza dentro de un vacío, el universo sigue expandiéndose cada vez más rápido. Cuando el fotón sale del vacío, se encuentra con que -gracias a este estiramiento cósmico- toda la materia se ha dispersado. Como la materia está ahora más distribuida, su efecto gravitatorio no es tan fuerte. No puede tirar del fotón con la misma fuerza que antes, y el fotón no puede recuperar la energía que tenía antes.
Podría haber un vacío a menos de 3.000 millones de años luz de distancia
Los físicos ya habían calculado este fenómeno a finales de la década de 1960, pero nadie lo había observado realmente. Pero después de que se descubriera el punto frío, astrónomos como Istvan Szapudi, de la Universidad de Hawái, empezaron a buscar pruebas de este comportamiento, llamado efecto integrado Sachs-Wolfe, o ISW. En 2008, lo encontró.
El asombroso supervacío
Szapudi no podía identificar los vacíos individuales que dejaban huellas en el CMB – no tenía los datos para hacerlo. En su lugar, él y su equipo buscaron un efecto ISW global en un análisis estadístico de 100 vacíos y cúmulos de galaxias, cuyo peso gravitacional crea un efecto de calentamiento y deja puntos calientes en el CMB. Los investigadores encontraron un efecto ISW real, cambiando la temperatura del CMB en una media de unas 10 millonésimas de kelvin, o 10 microkelvin.
Comparado con el punto frío, que es unos 70 microkelvin más frío que la media del CMB, el efecto es pequeño. Pero el punto era mostrar que los vacíos podrían crear puntos fríos. Si un vacío fuera lo suficientemente grande, podría crear el punto frío. «Si este punto frío es la mayor anomalía en el CMB, podría muy bien ser una señal de un enorme vacío, un vacío muy raro en el universo», dice Szapudi. «Así que pensé que debíamos buscarlo ahora».
El vacío es enorme. Tiene 220 megaparsecs de radio
Su primer intento, en 2010, resultó vacío. Pero los datos eran limitados, cubriendo sólo unos pocos puntos dentro de la mancha. Curiosamente, los resultados también mostraron que podría haber un vacío a menos de 3.000 millones de años luz.
El año pasado, él y su equipo volvieron a intentarlo, esta vez con muchísimos más datos, cubriendo más de 200 veces el cielo y abarcando todo el punto frío. Con una cobertura mucho mayor -que incluía miles de galaxias-, los primeros indicios se convirtieron en un auténtico vacío. Los datos eran inequívocos. «Estamos absolutamente seguros de que existe un vacío», afirma Szapudi. «Apostaría mi casa por ello».
Y el vacío es enorme. Tiene un radio de 220 megaparsecs, más de 700 millones de años luz, lo que lo convierte en una de las estructuras físicas más grandes -si no la más grande- del universo.
Un vacío tan grande no es común, ya que quizá sólo existan unos cuantos, dice Szapudi. El hecho de que un vacío tan raro coincida con el punto frío -otra rareza- parece demasiado improbable para ser una mera coincidencia. Lo que es más probable, dice, es que el vacío esté causando la mancha fría. De hecho, ha calculado que esa hipótesis es 20.000 veces más probable que si los dos objetos se hubieran alineado por casualidad.
Otros aún no están seguros. Para astrónomos como Patricio Vielva, de la Universidad de Cantabria (España), que dirigió el descubrimiento de la mancha fría en 2004, la rareza del vacío todavía está en duda. Si resulta que tales vacíos están más extendidos, entonces esta alineación no sería tan notable. Tal vez sea sólo una coincidencia. Por eso los investigadores necesitan más datos para calibrar la rareza de estos supervacíos. «Ahora mismo, creo que esto es una de las cosas más importantes que hay que establecer», dice Vielva.
No es lo suficientemente frío
Pero hay un problema mayor.
El supervoide no puede enfriar el CMB lo suficiente. Un supervoide de este tamaño sólo puede enfriar el CMB en 20 microkelvin. El punto frío, sin embargo, es en promedio más frío en 70 microkelvin. En algunos puntos, la caída de temperatura es de 140 microkelvin.
Una posible razón detrás de la discrepancia es que el vacío es realmente más grande de lo medido. De ser así, su efecto ISW sería más fuerte. Dadas las incertidumbres de las mediciones de Szapudi, el radio del vacío podría extenderse hasta 270 megaparsecs. Sin embargo, dice Vielva, incluso eso no es lo suficientemente grande como para explicar el punto frío.
De hecho, según las teorías actuales de la cosmología, el universo puede ni siquiera ser capaz de formar un vacío que sea lo suficientemente grande. «El problema es que el tipo de vacío que se necesita para este efecto no existe», dice Vielva.
Más observaciones permitirán a los astrónomos obtener mediciones más precisas del tamaño y las propiedades del supervacío
Pero si no es un vacío, ¿entonces qué? Tal vez, dice Vielva, el punto frío se deba a una textura cosmológica, un defecto en el universo análogo a las grietas o manchas que se encuentran en el hielo. Cuando el universo primitivo evolucionó, sufrió una transición de fase similar a la que se produce cuando el agua se congela, pasando de líquido a sólido. En el hielo, se obtienen defectos cuando las moléculas de agua no se alinean. En el universo, se obtienen texturas. En 2007, Vielva ayudó a demostrar que si existe una textura, podría crear el punto frío a través del efecto ISW.
Las texturas, sin embargo, son especulativas, y nadie ha visto ninguna prueba de que existan. «Las texturas son una buena idea, pero no tenemos ninguna pista sobre si estas cosas son realistas o no», dice Rien van de Weijgaert, astrónomo de la Universidad de Groningen en los Países Bajos.
Para la mayoría de los astrónomos, dice van de Weijgaert, un supervacío sigue pareciendo la mejor explicación. «Por ahora, se considera una de las opciones más creíbles», dice. «Es la magnitud del efecto la que podría tener algunas preguntas, pero no es increíble»
Para estar seguros, la hipótesis del vacío es ciertamente intrigante, dice Vielva. Pero la discrepancia de la temperatura debe resolverse primero.
No sabemos el final de la historia. No creo que nadie lo sepa
Más datos ayudarían. Por ejemplo, más observaciones permitirán a los astrónomos obtener mediciones más precisas del tamaño y las propiedades del supervoide. También podrían revelar si hay un vacío más pequeño en el primer plano, que podría ayudar a enfriar el CMB. Tal vez, el punto frío es tan frígido porque el supervoide también resulta estar frente a una región del CMB que ya es un poco más fría de lo normal.
Aunque los números no cuadran ahora, no es razón para preocuparse. «En este momento, como las incertidumbres son tan grandes, no hay que perder el sueño por esto», dice Carlos Frenk, astrofísico de la Universidad de Durham, en el Reino Unido. Su corazonada es que con más datos y análisis, el supervacío surgirá como la respuesta correcta. «Si es así, el punto frío representará la primera medición de un objeto -un supervoide- que deja una huella en el CMB a través del efecto ISW. Esto es significativo en parte porque el supervoide es simplemente enorme. El supervoide podría ser importante de otra manera: «Tenemos una forma más de estudiar la energía oscura, que es la cosa más extraña del universo», dice Szapudi.
El efecto ISW sólo funciona porque el universo se expande cada vez más rápido, y la misteriosa fuerza que empuja el cosmos es la energía oscura. Al medir el efecto ISW desde el supervoide, los investigadores pueden sondear la influencia de la energía oscura, y entender mejor cómo se comporta y qué es.