Inflando globos cósmicos

Universo inflacionario para principiantes

 Hace pocos días se anunció la confirmación experimental, por parte del telescopio de microondas BICEP2 localizado en el Polo Sur, de una predicción clave del modelo inflacionario del Big Bang, demostrando una vez más que la física es capaz de predecir y de confirmarse mediante fenómenos nunca antes observados.

Aquí tenéis la conferencia de prensa completa del anuncio.

Otros ejemplos clásicos de nuevos fenómenos que sirvieron para confirmar teorías revolucionarias fueron la desviación de la luz de las estrellas -Teoría de la Relatividad-, el fondo de radiación de microondas en el universo -Teoría del Big Bang- y la aparición del bosón de Higgs -Teorías de Gran Unificación-.

En esta entrada intentaré explicar el significado y la importancia de las teorías inflacionarias del universo, así como algunas interesante posibilidades que abren respecto a la existencia de múltiples universos. Seguiré un guión similar al de este genial mini-comic:

La teoría del Big Bang

A partir de las ecuaciones de la Relatividad General de Einstein se vio que eran posibles varios modelos cosmológicos para explicar la evolución del espacio-tiempo a gran escala. La siguiente gráfica resume las opciones (muestran en el eje vertical el tamaño del universo respecto al tiempo en el eje horizontal):

Algunas teorías (como la el propio Einstein) proponían un universo estacionario que no cambiaba de tamaño, mientras que otras pensaban en un universo de expansión acelerada (De Sitter), o de ciclos de expansión y contracción.

Sin embargo las observaciones del movimiento de las galaxias y quásares (núcleos activos de galaxias muy lejanas) permitió comprobar que el universo se había estado expandiendo al menos desde la formación de las galaxias.

Aunque hubo otras teorías rivales para explicar la expansión, como la Teoría del Estado Estacionario de Fred Hoyle (que suponía que la apariencia del universo siempre ha sido la misma en cualquier tamaño), el descubrimiento accidental del Fondo de Radiación de Microondas en 1965 permitió comprobar una de las predicciones de la Teoría de la Gran Explosión (Big Bang) como explicación de la expansión.

La siguiente fotografía muestra a Penzias y Wilson junto a la antena de microondas que captó el fondo de radiación (al principio pensaron que el 'ruido' estaba causado por unas palomas que habían anidado en el acogedor hueco de la antena):

Según la teoría del Big Bang, toda la materia y energía del universo habría estado concentrada inicialmente en un espacio infinitesimal, con una enorme densidad y temperatura, de donde las diferentes formas de materia, fuerzas y estructuras como átomos, galaxias, estrellas y planetas habían evolucionado al ir reduciéndose la temperatura con la expansión.

La expansión del universo es una expansión del espacio-tiempo mismo (al menos en las 4 dimensiones que conocemos), y por tanto muy diferente a las explosiones que experimentamos en nuestra vida cotidiana. Por ello se suele comparar con la expansión de la superficie de un globo (el espacio-tiempo) en el cual se encuentra la materia y energía del universo conocido.

El fondo de radiación de microondas, que se observa mirando en cualquier dirección desde la Tierra, es un residuo del momento en que la temperatura descendió lo suficiente como para que los electrones se pusieran a orbitar los núcleos y se formaran átomos (proceso de recombinación), permitiendo a la luz viajar libremente por el espacio. Esta luz, producida 300.000 años después del inicio de la expansión, tendría ahora según los cálculos de la teoría una temperatura de 3 grados Kelvin, que fue exactamente la observada. Se probó así que la imagen evolutiva del Big Bang era la correcta.

Los cabos sueltos del Big Bang

Sin embargo, la teoría original del Big Bang era insuficiente para explicar algunas características observables del universo. Por un lado la densidad y temperatura de todo el espacio observable es increíblemente homogénea, lo cual tenía una difícil justificación, mientras que por otra parte existen estructuras a gran escala que no podrían haberse formado si el universo hubiera sido totalmente homogéneo en sus inicios.

La teoría de la inflación fue desarrollada por Alan Guth en 1981 para completar la visión del Big Bang, solucionando estos cabos sueltos y otros como la predicción no observada de monopolos magnéticos.

La paradoja del equilibrio térmico universal

Un primer problema que se planteó al Big Bang fue explicar cómo era posible que todo el universo tuviera una temperatura tan similar (homogeneidad que era ya visible en el fondo de radiación). Al estar el universo en continua expansión, no sería posible que las diferentes zonas del espacio pudieran intercambiar radiación entre sí para compensar sus temperaturas.

Este excelente y sencillo vídeo del programa Redes lo explica muy claro:

Las arrugas del espacio-tiempo

A pesar de la gran homogeneidad de temperatura, al observar el universo a grandes distancias vemos que su estructura es irregular, la materia no se distribuye de forma uniforme, sino que forma algo parecido a un fractal. Las galaxias se agrupan en grandes cúmulos y megacúmulos que forman como una red o estructura esponjosa en la que las áreas rellenas se entremezclan con grandes espacios casi vacíos.

Esta estructura ha sido confirmada por los datos de mediciones reales, como se observa en estas imágenes y vídeo:

Para saber cómo se pudieron haber formado estas estructuras se han realizado simulaciones masivas, como la Simulación del Milenio con 10 billones de partículas. Estas simulaciones han concluido que para que se pudieran formar esta red de filamentos era necesario que en el universo inicial hubiera fluctuaciones de densidad y temperatura, tales como las que son visibles en el fondo de radiación de microondas.

Los siguientes vídeos se han realizado con los datos de las simulaciones:

El problema para la Teoría del Big Bang era que no proponía ningún mecanismo capaz de generar estas fluctuaciones. Si el universo se había expandido de manera suave y continua, ¿qué había producido las diferencias de densidad y temperatura entre unas zonas y otras?

Veremos que la teoría de la inflación propone un mecanismo que explicaría la estructura a gran escala del universo. Un buen libro para comprender el problema y la solución es éste:

¿Por qué se expande el universo? ¿De dónde salió?

Además de los problemas 'técnicos' de la teoría original del Big Bang, estaba claro que era una explicación incompleta desde el momento en que no proporcionaba un mecanismo que diera el impulso que necesitaba la expansión del universo.

Tampoco la teoría clásica del Big Bang decía nada sobre cómo pudo llegarse a ese estado inicial en el que toda la materia y energía, y nuestro espacio-tiempo, estaban concentrados en un tamaño tan pequeño.

La solución de la inflación

El modelo inflacionario del universo temprano se basa en la idea de que hubo una expansión rapidísima durante un período muy corto en su comienzo. De ahí el nombre 'inflación': el universo se infló a una velocidad vertiginosa, exponencial, pasando de tener el tamaño de un protón al de un balón en una pequeñísima fracción de segundo.

Podéis encontrar una muy buena explicación en su contexto histórico en este artículo de John Gribbin, y otras explicaciones más técnicas en esta página y ésta otra, ambas de CalTech.

Para entender la inflación debemos recordar que a medida que nos acercamos al instante inicial de la expansión, tenemos una mayor densidad de energía, o equivalentemente, una mayor temperatura. Al aumentar la energía las fuerzas de la naturaleza se van unificando progresivamente, hasta que al llegar a un tiempo de 10 elevado a -43 (un segundo dividido por la potencia 43 de 10), infinitesimalmente pequeño, todas las fuerzas incluida la gravedad y todas las formas de materia estarían unificadas en un caos cuántico indiferenciado. Este tiempo se llama tiempo de Planck y no podemos decir nada con sentido para momentos anteriores, pues el principio de incertidumbre cuántico impide que el espacio-tiempo pueda tener una estructura más pequeña.

La inflación sucedería a partir de este estado primigenio indiferenciado, dominado por las fluctuaciones cuánticas de un vacío con una increíble densidad de energía, las mismas fluctuaciones que gracias a la indeterminación de Heisenberg permiten la aparición y destrucción continua de partículas, como vimos al hablar del origen de las fuerzas.

¿Pero cómo y por qué se produjo esa rapidísima expansión? Quizás la forma más sencilla de entenderlo sea aplicar el concepto de cambio de fase o cambio de estado de la materia al propio vacío cuántico del espacio-tiempo. 

Pensemos en la congelación del agua para formar hielo. El enfriarse el agua hasta los cero grados, las moléculas se mueven más lentamente y ello permite que actúen las fuerzas de enlace de hidrógeno entre ellas, creando una estructura cristalina donde antes había solamente una masa desorganizada. El cambio de estructura de la materia distribuye las moléculas en un espacio ligeramente mayor, lo que hace que el hielo se expanda (como comprobamos cuando dejamos una botella llena en el congelador, ay).

¿Qué sucedería si enfriáramos el agua por debajo de cero grados pero no permitiéramos su expansión? En ese caso el agua estaría en un estado metaestable, sin poder solidificarse (al no disponer de espacio para la nueva estructura), produciendo de forma continua una presión para expandirse, y pasando al estado estable sólido en cuando dispusiera del espacio necesario.

La teoría de la inflación supone que el vacío del espacio pasó por un cambio de fase similar debido al enfriamiento local en un punto de un espacio-tiempo más amplio, posiblemente causada por una fluctuación aleatoria en el caos cuántico primordial.

Al producirse este enfriamiento puntual en una pequeña región del 'megauniverso', una propiedad del vacío sufrió un cambio, una diferenciación, una reestructuración que creó una presión para expandirse, al igual que el agua enfriada.

Esta presión hizo que la pequeña región de espacio-tiempo se expandiera rápidamente como una burbuja, dando lugar a nuestro universo y creando el impulso que provocó la 'explosión' conocida como Big Bang. La inflación en sí solamente duró un corto instante, hasta que el estado metaestable conocido como 'falso vacío' se expandió lo suficiente para consolidarse en un estado estable, el 'verdadero vacío' que conocemos actualmente.

¿Pero qué era esta propiedad del vacío original que produjo la presión inflacionaria? Los físicos hablan de un campo escalar, una forma de decir que se trata de una propiedad que no tenía dirección (por tanto, no es una de las fuerzas conocidas). Se trata de algo que rellenaba el espacio-tiempo y que cambió con la temperatura. Inicialmente Alan Guth propuso que fuera el campo de Higgs (sí, el mismo del bosón de Higgs recientemente descubierto), ya que se trataba del primer campo escalar del que se tenía constancia, al menos teórica. Sin embargo esta posibilidad parece no coincidir con algunas propiedades de la inflación. Por eso hoy en día sólo se habla de un campo escalar cuya partícula mediadora sería el inflatón, pero del cuál realmente se desconoce su naturaleza (más sobre esto después).

Lo que sabemos es que esta propiedad que llena el espacio-tiempo sufrió una transición produciendo una presión expansiva desde que pasó de un estado a otro por el enfriamiento. En unas versiones de la teoría esta transición se produce desde un estado metaestable a otro estable, por efecto túnel. En otras versiones se produce durante una evolución suave de un estado a otro.

¿Cómo resuelve la inflación los cabos sueltos en la teoría del Big Bang?

• Inicialmente, la diminuta región que se expandió estaba ya en equilibrio térmico, pues era suficientemente pequeña para homogeneizarse aproximadamente a la misma temperatura. Al expandirse rápidamente el espacio-tiempo se conservó esta homogeneidad.

• Por otra parte, las fluctuaciones cuánticas ('ondas' de diferente densidad y temperatura) que existían en el vacío primordial también se expandieron, tan rápido que no tuvieron tiempo de disgregarse, creando en la burbuja universal zonas más densas y otras más vacías, lo que provocó que las nubes de gas se condensaran más tarde en ciertas áreas para formar cúmulos y galaxias. Los cálculos realizados explican de manera cuantitativa las estructuras a gran escala observadas en el universo. 

Este vídeo explica cómo la inflacción soluciona el problema de la homogeneidad térmica y la estructura del universo:

• Como hemos visto, la inflación también explica por qué el universo 'explotó' en forma de Big Bang: la enorme presión expansiva creada por el cambio de fase del vacío le hizo reventar como una burbuja, como una botella llena de agua congelada.

Una paradoja de la inflación es que durante esa fase el universo se expandió más rápido que la velocidad de la luz. Aunque este hecho parece contradecir el límite impuesto por la teoría de la relatividad, en realidad no lo hace. El límite de la velocidad de la luz se aplica a los movimientos de un lugar a otro del espacio-tiempo de nuestro universo, pero no se aplica a la expansión del espacio-tiempo mismo. Sea lo que sea que incluye en su seno a nuestro universo, permitió que éste se expandiera a esa velocidad alucinante.

La prueba de la inflación: los resultados del BICEP2

Volvemos así al descubrimiento que justificaba esta entrada: el anuncio de la detección de ondas gravitacionales asociadas a la inflacción. Estas ondas no son más que otro producto de las fluctuaciones cuánticas, sometidas a la rápida expansión de la inflación, y que determinaron la estructura visible en el fondo de radiación de microondas (CMB en la figura siguiente).

La predicción del modelo inflacionario es que estas ondas afectarían al estado de polarización de la luz del fondo de microondas (la polarización es la dirección de vibración de las ondas que componen la luz). El telescopio de microondas BICEP2 comprobó que la magnitud y el tipo de polarización del fondo de microondas se correspondía con lo previsto por la versión inflacionaria de la teoría del Big Bang.

¿Estamos solos en el multiverso?

Cuando se desarrollaron versiones satisfactorias del escenario inflaccionario, inmediatamente se extrajeron dos consecuencias importantes:

• Primero, el universo como tal podría haber nacido debido a una mera fluctuación al azar del estado primordial (no 'de la nada', sino de un vacío preexistente, que es algo diferente). Por tanto no se necesitaba un estado o condición especial para su creación. 

Existe una gran discusión actualmente sobre en qué medida es posible que el universo haya surgido por una fluctuación, o se requieren otras entidades preexistentes, como las membranas multidimensionales de la teoría de cuerdas, pero lo cierto es que sea cual sea el mecanismo, no se trata de algo que solo pueda existir una vez, y eso nos lleva a la segunda consecuencia:

•  El proceso inflacionario de creación de una burbuja puede haberse repetido infinidad de veces en diferentes lugares del vacío primordial multidimensional. Por tanto, resulta lógico pensar en la existencia de múltiples burbujas, que podrían solaparse o no. Este concepto de multiverso (se corresponde con los tipos I y II en la clasificación de Tegmark) es diferente al de universos alternativos (tipo III). Los diferentes universos podrían tener incluso diferentes leyes físicas, en la medida en que los cambios de fase que suceden durante el enfriamiento de las burbujas tuviera resultados diferentes.

El Dr Michio Kaku es uno de los que ha estudiado y divulgado con más énfasis esta posibilidad, como se ve en los siguientes videos y en su libro "Mundos paralelos".

La extraña naturaleza de la nada

Nuestro desconocimiento sobre la naturaleza del campo escalar, esa misteriosa propiedad del vacío cuyo cambio de fase creó la inflación cósmica, es otra pista más de que lo que consideramos 'vacío' y la estructura misma del espacio-tiempo están aún lejos de ser conocidos.

El campo del 'inflatón' se une así a otros misterios sobre el vacío, que cada vez parece serlo menos. Como vemos en la siguiente figura, solamente conocemos realmente un mero 5% de la composición del universo. La materia oscura que rodea las galaxias (un 25% de la masa del universo), y que parece un residuo de la materia primordial del Big Bang, está formada por un tipo de partículas que no interactúa con las demás salvo con la fuerza de la gravedad. 

Por otro lado, la inmensa mayoría de la masa-energía del universo estaría formada por la llamada energía oscura, un campo escalar que ejerce un efecto repulsivo, acelerando la expansión del universo. Podría ser, por tanto, un residuo o resultado del cambio de fase del campo inflatón que creó la burbuja.

Lo cierto es que el contenido y naturaleza del espacio-tiempo son más misteriosos que nunca. Lejos quedaron los tiempos en que se pensaba que el vacío era tan solo una ausencia, una nada sin contenido. 

Afortunadamente para los que nos gustan los misterios cósmicos y para los físicos, cada respuesta abre otras preguntas más profundas. Por el momento parece necesario afianzar una teoría que unifique la relatividad y la gravedad con la mecánica cuántica para seguir avanzando. Y para ello habrá que buscar nuevas formas de experimentar y comprobar las predicciones de estas teorías (supersimetría, teoría de cuerdas, teoría del todo...).

Hasta el próximo misterio,

    Salvador