El Universo Inflacionario (Parte 1)

¿Alguna vez habéis mirado las estrellas? No, no me refiero simplemente a levantar la vista, si no a mirar, tumbarse en un campo alejado de las grandes ciudades y contemplar con calma la maravillosa cúpula celeste que cada noche nos contempla desde las alturas. Dejando la poesía a un lado, si alguna vez habéis hecho esto (de verdad, sin la excusa de hacer guarrerías) habréis contemplado como nuestro Universo está literalmente lleno de cosas, incluso pese a que en luz visible no vemos ni una ínfima parte de los objetos que pueblan el cosmos, cuanto más mira uno un punto del espacio más estrellas es capaz de ver. Así, globalmente, nuestro Universo parece una sopa de estrellas (nunca mejor dicho) aproximadamente igual en todas las direcciones y continuamente poblado de astros. Los físicos, siendo lo complicados que somos, decimos que nuestro Universo es isótropo y homogéneo, que miremos a donde miremos y miremos desde donde miremos, observamos esta sopa de estrellas aproximadamente igual distribuida. 

Nuestro Universo es una sopa de estrellas

Esta observación tan sencilla es la base de nuestro modelo cosmológico actual, un modelo físico que, fundamentado en la Teoría de la Relatividad General, es capaz de describir toda la historia de nuestro Universo, desde el Big Bang hasta nuestros días. O eso pensábamos, porque en un lugar de la Galia una pequeña aldea resiste los embates del glorioso Imperio Romano  las observaciones que nuestros modernos telescopios (creados gracias a un desarrollo tecnológico sin precedentes en la historia de la humanidad), nos han aportado durante el último medio siglo han sido capaces de ponerle unos cuantos peros a lo que conocemos como el Modelo Estándar Cosmológico.

El problema de la planitud

Como muchos sabéis (y si no, me hago autobombo), la Relatividad General juega con la idea de que el espacio y el tiempo son un mismo ente al que denominamos espacio-tiempo, por aquello de la originalidad, tampoco lo íbamos a llamar Pepe; que es flexible y se ve afectado por la existencia tanto de materia como energía. En una analogía largamente repetida, nuestro Universo sería como una sábana que se hunde por la presencia de objetos apoyados sobre ella. Este hundimiento es lo que nosotros observamos como la fuerza gravitatoria que le atizó a Newton un manzanazo.

Siguiendo con el símil, podríamos imaginar que al principio de la historia del Universo, la sábana se encontraba completamente arrugada y recogida en una bola pequeña, tan pequeña que nuestras teorías predicen que debería tener tamaño nulo. Sin embargo, el Universo no duró mucho en este estado, pues la energía contenida en este punto era tan alta que irremediablemente la sábana comenzó a hincharse, como si cuatro personas la sujetasen por sus esquinas y comenzasen a tirar de ellas. Esta expansión es lo que la Teoría de la Relatividad General predice para nuestro Universo y lo que nuestras observaciones astronómicas nos han confirmado de una y mil maneras.

Conforme el tiempo avanza y el Universo se hace más viejo, al contrario de lo que nos pasa a las personas, sus arrugas se van diluyendo al verse la sábana cada vez más estirada y poniéndose más tensa. Este hecho implica que, partiendo de cualquier configuración, siempre llegamos a una nueva situación donde nuestro Universo es cada vez más plano. Y aquí surge el primero de los problemas del Modelo Estándar, pues nuestras observaciones dicen que nuestro Universo es muy plano, tan plano que nuestros modelos predicen que tras el Big Bang también debía ser increíblemente plano. ¿Por qué es esto un problema? Pues porque es muy raro que, pudiendo tomar cualquier valor, haya tomado uno tan peculiar. A este tipo de problemas los físicos los denominamos “Fine Tuning Problems” o problemas de ajuste fino, donde hay alguna variable que, pudiendo tomar cualquier valor, toma uno muy particular.

Es verdad que este hecho no es un problema en el sentido estricto de la palabra, pues podría darse la casualidad de que esa variable toma ese valor porque sí, por azar, pero como los físicos somos unos cabezones, queremos tenerlo todo bien atado y buscarle una explicación a este tipo de cosas, somos así de especialitos. Por ello, nos gustaría que existiese un mecanismo que fuese capaz de explicar el porqué después del Big Bang nuestro Universo era tan plano como observamos de una manera elegante y, máxima en física, sencilla. 

El Problema del horizonte 

La expansión del Universo no es capaz de explicar la conexión entre dos puntos que nunca se tocaron.

Desde que Galileo levantase un vulgar catalejo hacia el cielo hasta nuestros días, que hemos sido capaces de poner un gigantesco telescopio en órbita alrededor de nuestro planeta; las observaciones astronómicas realizadas por miles de científicos nos han ido descubriendo cada vez más detalles del mundo que nos rodea, mostrándonos que la humildad es obligada a la hora de contemplar la magnificencia de los que nos rodea. Y de todas estas observaciones, quizás la más importante de los últimos cincuenta años haya sido el Fondo Cósmico de Microondas que los ingenieros Penzias y Wilson descubrieron por accidente en los años 60 del siglo pasado, hallazgo que les valió el premio Nobel en física. Sin entrar en detalles, el fondo cósmico es una “foto” del estado del Universo tan sólo 380.000 años tras el Big Bang, momento en que la radiación electromagnética se liberó y comenzó a propagarse por el espacio. Esta foto no es más que esa radiación liberada, que llega a nuestros días desplazada a la zona del microondas debido al efecto Doppler causado por la expansión del Universo.

 El fondo cósmico ha sido, desde los 60, la mayor fuente de información cosmológica que tenemos a nuestra disposición, y entre toda esa información destaca una cosa, cuando observamos la temperatura de distintas zonas del Universo, nos damos cuenta de que puntos separados lo suficiente como para no haber podido estar en contacto nunca durante la historia del cosmos presentan la misma temperatura (realmente existen fluctuaciones del orden de decenas de microkelvin 0.00001 K), lo cual no es posible si asumimos un modelo sencillo en el que el Universo se crea en el Big Bang y se expande a un ritmo constante hasta nuestros días. Y, por tanto, lo isótropo del fondo cósmico se convierte en un problema para nuestros modelos cosmológicos.

 Volviendo a la analogía de la sábana, tendríamos que dos puntos de esta sólo tendrían la misma temeperatura si alguna vez han estado tocándose. Pero, por ejemplo, las esquinas desde las que tiramos para que nuestro Universo se expanda nunca se tocan… ¡y sin embargo tienen la misma temperatura! 

El Problema de las Reliquias

Las teoría de gran unificación en física de partículas predicen la existencia de partículas que no observamos en nuestro Universo.

Este problema con nombre tan rimbombante fruto de una chapucera traducción (mía) del inglés aparece cuando se intenta conectar la cosmología con los modelos de física de partículas que manejamos cotidianamente. Debido a que poco después del Big Bang la temperatura del Universo era muy alta, estos modelos predicen la aparición de partículas “exóticas” como monopolos magnéticos o cuerdas cósmicas que hoy día no observamos, por tanto, ha de existir un mecanismo que elimine la presencia de estas viejas reliquias de tiempos pasados de sangre, sudor, espadas y vírgenes raptadas durante la evolución del Universo.

Tenemos, por tanto, tres grandes problemas que afrontar para describir el Universo a escala cosmológica y que, en principio, tiran a la basura la teoría del Big Bang que tantos éxitos cosechó durante la primera mitad del siglo XX. Sin embargo, aunque puedan parecer dispares, los tres problemas tienen un origen común, que el Universo no se expandió tan rápido como nos gustaría y, por tanto, los tres tienen una solución común: la época inflacionaria.

 Mario Herrero

Hablando de Ciencia