forma del universo
La forma del universo , en cosmología física , es la geometría local y global del universo . Las características locales de la geometría del universo se describen principalmente por su curvatura , mientras que la topología del universo describe las propiedades globales generales de su forma como un objeto continuo. La curvatura espacial es descrita por la relatividad general , que describe cómo el espacio-tiempose curva por efecto de la gravedad. La topología espacial no puede determinarse a partir de su curvatura, debido a que existen espacios localmente indistinguibles que pueden estar dotados de diferentes invariantes topológicos. [1]
Los cosmólogos distinguen entre el universo observable y el universo entero, siendo el primero una parte del segundo en forma de bola que, en principio, puede ser accesible mediante observaciones astronómicas. Asumiendo el principio cosmológico , el universo observable es similar desde todos los puntos de vista contemporáneos, lo que permite a los cosmólogos discutir las propiedades de todo el universo con solo información del estudio de su universo observable. La discusión principal en este contexto es si el universo es finito, como el universo observable, o infinito.
Es necesario identificar varias propiedades topológicas y geométricas potenciales del universo. Su caracterización topológica sigue siendo un problema abierto. Algunas de estas propiedades son: [2]
Hay ciertas conexiones lógicas entre estas propiedades. Por ejemplo, un universo con curvatura positiva es necesariamente finito. [3] Aunque generalmente se asume en la literatura que un universo plano o curvado negativamente es infinito, este no tiene por qué ser el caso si la topología no es trivial. Por ejemplo, un espacio conexo múltiple puede ser plano y finito, como lo ilustra el tres toroide . Sin embargo, en el caso de espacios simplemente conectados, la planitud implica infinidad. [3]
Hasta el día de hoy, la forma exacta del universo sigue siendo un tema de debate en la cosmología física . En este sentido, los datos experimentales de varias fuentes independientes ( WMAP , BOOMERanG y Planck , por ejemplo) confirman que el universo es plano con solo un margen de error del 0,4%. [4] [5] [6]Sin embargo, la cuestión de la conectividad simple frente a la múltiple aún no se ha decidido sobre la base de la observación astronómica. Por otro lado, cualquier curvatura distinta de cero es posible para un universo curvo lo suficientemente grande (de manera análoga a cómo una pequeña porción de una esfera puede parecer plana). Los teóricos han estado tratando de construir un modelo matemático formal de la forma del universo que relacione la conectividad, la curvatura y la delimitación. En términos formales, este es un modelo de 3 variedades que corresponde a la sección espacial (en coordenadas comomóviles ) del espacio- tiempo de cuatro dimensiones del universo. El modelo que la mayoría de los teóricos utilizan actualmente es el de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker.(FLRW) modelo. Se han presentado argumentos de que los datos de observación encajan mejor con la conclusión de que la forma del universo global es infinita y plana, [7] pero los datos también son consistentes con otras formas posibles, como el llamado espacio dodecaédrico de Poincaré , [8] [9] el tres-toro multiconexo y el espacio de Sokolov-Starobinskii ( cociente del modelo del semiespacio superior del espacio hiperbólico por una red bidimensional). [10]
La cosmología física se basa en la teoría de la Relatividad General , un cuadro físico expresado en términos de ecuaciones diferenciales. Por lo tanto, solo las propiedades geométricas locales del universo se vuelven teóricamente accesibles. Por lo tanto, las ecuaciones de campo de Einstein determinan solo la geometría local, pero no tienen nada que decir sobre la topología del universo. En la actualidad, la única posibilidad de dilucidar tales propiedades globales se basa en datos de observación, especialmente las fluctuaciones (anisotropías) del campo de gradiente de temperatura del Fondo Cósmico de Microondas (CMB). [11] [12]
De arriba a abajo: un universo esférico con Ω > 1 , un universo hiperbólico con Ω < 1 y un universo plano universo con Ω = 1 . Estas representaciones de superficies bidimensionales son simplemente análogos fácilmente visualizables de la estructura tridimensional del espacio (local).