Introducción a la Cosmología (II): Inflación

Continuando con la serie de artículos sobre cosmología, que comenzamos hablando del Big Bang, hoy vamos a profundizar más y hablar de la estructura del Universo y de la información que ésta nos aporta sobre su evolución, para terminar de ver cómo creemos los físicos que fueron los primero instantes del Universo.

Sabemos que el Universo comenzó con una gran explosión, debido al remanente de ésta que vemos distribuida por todo el cielo (fondo cósmico de microondas o CMB en sus siglas en inglés). La teoría que lo describe se llama Model Cosmológico Estándar, y el éxito de poder observar pruebas del nacimiento del Universo nos anima a utilizar este modelo para ver si, como buena teoría científica, tiene capacidad predictiva. Como la astrofísica (el lado experimental de la cosmología) es, lógicamente, una ciencia observacional, esto significa que el universo que esperamos ver debe ser compatible con el universo que vemos.

Bueno, pues nada más empezar nos encontramos con un gran problema: nuestro fondo cósmico, los restos del Big Bang, es demasiado uniforme. Con esto lo que queremos decir es que la temperatura que medimos es prácticamente igual, con ligerísimas fluctuaciones, a lo largo y ancho del cielo. A continuación voy a explicar por qué es un problema, y después la modificación que lo soluciona (y que, de detectarse, supondría un premio nobel), que lleva el descriptivo nombre de inflación.

Para entender por qué la uniformidad es problemática, lo primero que debemos tener presente es que mirar el cielo es como utilizar una máquina del tiempo. Es decir, como la luz viaja a una velocidad finita, tarda un tiempo en llegar de un lugar a otro. Cuanto más lejos esté un objeto (habitualmente una estrella o galaxia), más habrá tardado la luz procedente de la misma en llegar hasta nosotros, y por tanto más atras en el tiempo estaremos mirando (¡la estrella en cuestión podría ni existir actualmente!). Y ahora viene la clave: como nada puede viajar más rápido que la luz (por la relatividad especial) hay regiones del espacio que no han podido estar en contacto causal nunca, teniendo en cuenta la velocidad de la luz y el ritmo de expansión del Universo. Por ejemplo, desde la tierra podemos observar dos regiones del Universo que están en puntas opuestas del cielo a una distancia de 10 mil millones de años-luz cada una. Sin embargo, como el universo tiene una edad entorno a los 13,7 mil millones de años, y la separación entre estas dos regiones es de 20 mil millones de años-luz, nunca han podido intercambiar información.

Un chiste de Abstruse Goose, el muy recomendable hermano pequeño de xkcd

¿Qué significa esto para la uniformidad? Sencillamente, la termodinámica nos dice que para que dos objetos estén en equilibrio térmico tienen que intercambiar energía en forma de calor. Es decir, si todo el cielo presenta una temperatura uniforme, sería lógico pensar que es debido a que en algún momento del pasado, cuando el Universo era más pequeño, todas las regiones que observamos estaban en contacto causal y alcanzaron el equilibrio. Desafortunadamente, nuestro modelo cosmológico estándar, a primera vista, no predice esto.

Y la cosa empeora, ya que por un lado esta uniformidad (homogeneidad e isotropía para ser correctos) en realidad es un prerrequisito del Modelo Cosmológico Estándar que la teoría no produce (¡pero el Universo sí!), y por otro lado presagia tres grandes problemas que se descubrieron durante los años setenta: el problema de los horizontes, el problema de la planitud y el problema de los monopolos magnéticos. El problema de los horizontes es el que he descrito antes, que impide que todas las regiones del Universo que observamos hayan podido entrar en equilibrio y por tanto mostrar las mismas propiedades. El problema de la planitud es una cuestión muy interesante que hace referencia a la densidad de materia y energía (recordemos que son equivalentes), que determinan la curvatura global del Universo, cuestión sobre la que hablaré en la próxima entrada. Por ahora basta con saber que la curvatura observada es cero, es decir, que nuestro universo es plano a gran escala, un dato muy llamativo y sorprendente, ya que describe una posibilidad muy particular y, en principio, poco probable. El problema de los monopolos magnéticos es una cuestión bastante técnica que se sale del propósito de estos artículos, que de manera simple hace referencia a un tipo de materia que esperaríamos encontrar, pero que hasta ahora se ha declarado inexistente.

La solución: Inflación

Justo cuanto estaréis pensando que íbamos a tener que desechar la teoría del Big Bang (la serie no, la teoría física) resulta que estamos de suerte, porque en 1980 Alan Guth propuso una teoría que resolvía todos y cada uno de estos problemas. De hecho, a nivel teórico la inflación funciona tan bien que la inmensa mayoría de los físicos la dan por válida, a pesar de no existir pruebas experimentales (de ahí que no se incluya en el Modelo Cosmológico Estándar).

La inflación funciona de la siguiente manera: en los primeros instantes después del Big Bang, el Universo se expandió de manera acelerada, de forma exponencial. Después de un tiempo corto cesó y el Universo comenzó su expansión lineal (a velocidad constante). Para que entendáis lo que significa esto, imaginad un objeto que comienza midiendo un centímetro. Al cabo de un segundo, mide el doble, es decir, dos centímetros. Al cabo de otro segundo se vuelve a duplicar, es decir, cuatro centímetros. Si dobla su tamaño una vez por segundo, al cabo de un minuto mide 2^60 centímetros, es decir, 1,15*10^18, ó un uno seguido de 18 ceros. Esto son diez billones de kilómetros, o un poco más que la distancia que viaja la luz en un año. Para poder comparar esta expasión exponencial con una expansión lineal, tomamos ese mismo objeto, y hacemos que aumente un centímetro cada segundo. Al final del minuto, mide 60 centímetros. Esto significa que, para el tamaño de Universo que observamos hoy en día, de haberse producido inflación el Universo al principio era muchísimo, pero muchísimo más pequeño, lo que, en efecto, resuelve el problema de los horizontes.

El problema de la planitud también queda resuelto; al igual que la tierra localmente nos parece plana y no somos capaces de apreciar su curvatura hasta que nos alejamos bastante, si el Universo sufrió una expansión acelerada, el espacio-tiempo se ha estirado tanto que a todos efectos nosotros lo vemos plano. En cuanto al tercer problema, inflación modifica de manera drástica las condiciones existentes en el Universo temprano, de manera que los monopolos magnéticos no se producirían.

Por último, por si alguno se ha quedado con la pregunta de cómo se produce la inflación o cómo podríamos detectarlo, como para todos los problemas abiertos en física, hay una partícula propuesta para ello. Dicha partícula se llama el inflatón y el estudio de sus características posibles es un campo fértil y actual, que lleva a multitud de escenarios distintos y posibilidades de detección en los que se está trabajando de manera activa.

Nota: Un billón americano son mil millones europeos. Desafortunadamente, y sabiendo que ésta es una web de habla castellana, la comunidad científica trabaja de manera casi exclusiva en inglés, razón por la que todos los gráficos están en este idioma.