BANG

INFLACION COSMOLOGICA

Una falsa idea muy extendida es que el Big Bang ofrece una teoría de los orígenes cósmicos. No lo hace. El Big Bang es una teoría que delinea la evolución cósmica a partir de una fracción de segundo después de lo que fuera que dio nacimiento al Universo, pero no dice nada en absoluto sobre el propio instante cero. Y puesto que, según la teoría del Big Bang, el bang es lo que se supone que ha sucedido en el comienzo, el Big Bang deja fuera al bang. No nos dice nada sobre lo que hizo bang, por qué hizo bang, cómo hizo bang, o, simplemente, si siquiera hizo bang. De hecho, si lo pensamos por un momento nos damos cuenta de que el Big Bang nos presenta un gran rompecabezas. A las enormes densidades de materia y energía características de los primeros momentos del Universo, la gravedad era con mucho la fuerza dominante. Pero la gravedad es una fuerza atractiva. Impulsa a las cosas a juntarse. De modo que ¿cuál sería el posible responsable de la fuerza hacia afuera que impulsa al espacio a expandirse?

Parece que algún tipo de poderosa fuerza repulsiva tendría que haber desempeñado un papel crítico en el momento del Big Bang, pero ¿cuál de las fuerzas de la Naturaleza pudo hacerlo? Durante muchas décadas esta pregunta, la más básica entre todaslas preguntas cosmológicas, quedó sin responder. Luego, en la década de 1980, se resucitó una vieja observación de Einstein en una nueva forma, dando lugar a lo que se ha llegado a conocer como cosmología inflacionaria. Y con este descubrimiento pudo atribuirse finalmente el crédito del bang a la fuerza que lo merecía: la gravedad. Es sorprendente, pero los físicos se dieron cuenta de que en el entorno correcto la gravedad puede ser repulsiva, y, según la teoría, las condiciones necesarias imperaban durante los primeros momentos de la historia cósmica.

Durante un intervalo de tiempo que haría que un nanosegundo parezca una eternidad, el Universo primitivo proporcionó un escenario en el que la gravedad ejercía su lado repulsivo con creces, alejando cada región del espacio de todas las demás con una ferocidad implacable. Tan potente era el empuje repulsivo de la gravedad que no sólo se identificó el bang, sino que se reveló más fuerte, mucho más fuerte, que lo que cualquiera hubiera imaginado anteriormente. En el marco inflacionario, el Universo primitivo se expandió en un factor absolutamente enorme comparado con lo que predice la teoría del Big Bang estándar, lo que ampliaba nuestra visión cosmológica en una medida que eclipsaba la idea adquirida durante el último siglo de que la nuestra no es sino una galaxia entre centenares de miles de millones.

En este artículo hablaré de la cosmología inflacionaria y veremos que ofrece un «frente» para el modelo del Big Bang estándar que presenta modificaciones críticas a las afirmaciones de la teoría estándar sobre lo que sucedió durante los primeros momentos del Universo. Al hacerlo, la cosmología inflacionaria resuelve cuestiones clave que están más allá del alcance del Big Bang estándar, hace varias predicciones que han sido y seguirán siendo sometidas a comprobación experimental en el próximo futuro y, quizá lo más sorprendente, muestra cómo los procesos cuánticos pueden alisar, gracias a la expansión cosmológica, minúsculas arrugas en el tejido del espacio que dejan una huella visible en el cielo nocturno. Y más allá de estos logros, la cosmología inflacionaria da una idea importante de cómo el Universo primitivo puede haber adquirido su entropía extraordinariamente baja, lo que nos lleva más cerca que nunca de una explicación de la flecha del tiempo.

Aunque un campo de Higgs sobreenfriado comparte ciertas características con una constante cosmológica, el físico estadounidense Alan Guth comprendió que no son completamente idénticos. Hay dos diferencias clave: en primer lugar, mientras que una constante cosmológica es constante, no varía con el tiempo, de modo que proporciona un empuje hacia afuera invariable y constante, un campo de Higgs sobreenfriado no tiene por qué ser constante. La segunda diferencia es que mientras Einstein escogió cuidadosa y arbitrariamente el valor de la constante cosmológica, la cantidad de energía y presión negativa que aportaba a cada volumen de espacio, de modo que su fuerza repulsiva hacia afuera equilibrara exactamente la fuerza atractiva hacia adentro que surge de la materia y radiación ordinaria en el cosmos, Guth pudo estimar la energía y la presión negativa aportada por los campos de Higgs que él y su colega Tye habían estado estudiando.

La imagen cosmológica que emerge de la idea revolucionaria de Guth es entonces la siguiente: hace mucho tiempo, cuando el Universo era enormemente denso, su energía estaba transportada por un campo de Higgs asentado en un valor lejos del punto más bajo de su gradiente de energía potencial. Para distinguir este campo de Higgs particular de otros (tales como el campo de Higgs electrodébil responsable de dar masa a los tipos de partículas familiares, o el campo de Higgs que aparece en teorías de gran unificación) se le denomina normalmente el campo inflatón. Debido a su presión negativa, el campo inflatón generó una repulsión gravitatoria gigantesca que impulsó a cada región del espacio a alejarse de todas las demás; en el lenguaje de Guth, el inflatón impulsó al Universo a inflarse. La repulsión duró sólo unos 10^-5 segundos, pero fue tan poderosa que incluso en ese breve momento el Universo se hinchó en un factor enorme. Dependiendo de detalles tales como la forma precisa de la energía potencial del campo inflatón, el Universo pudo haberse expandido fácilmente en un factor de 10³⁰, 10⁵⁰, o 10¹⁰⁰ o más.

Estos números son espectaculares. Un factor de expansión de 10³⁰, una estimación conservadora, sería como ampliar la escala de una molécula de ADN hasta aproximadamente el tamaño de la Vía Láctea, y en un intervalo de tiempo que es mucho más corto que una milmillonésima de una trillonésima de un parpadeo. En comparación, incluso este factor de expansión conservador es trillones de veces la expansión que hubiera ocurrido según la teoría del Big Bang estándar durante el mismo intervalo de tiempo, y supera al factor de expansión total que ha ocurrido de forma acumulativa sobre los casi 14.000 millones de años siguientes. En los muchos modelos de inflación en los que el factor de expansión calculado es mucho mayor que 10³⁰, la extensión espacial resultante es tan enorme que la región que podemos ver, incluso con el telescopio más potente, no es sino una minúscula fracción del Universo total. Según estos modelos, ninguna de la luz emitida desde la inmensa mayor parte del Universo podría habernos llegado todavía, y gran parte de ella no llegará hasta mucho después de que el Sol y la Tierra hayan muerto. Si el cosmos entero se redujera en escala hasta el tamaño de la Tierra, la parte accesible a nosotros sería mucho más pequeña que un grano de arena.

Aproximadamente 10^-35 segundos después de que empezara la ráfaga, el campo inflatón encontró su salida de la meseta de alta energía y su valor en todo el espacio se deslizó hasta el fondo, desactivando el empuje repulsivo. Y cuando el campo inflatón rodó hacia abajo, cedió su energía sobrante para la producción de partículas de materia ordinaria y radiación, como una niebla que se concentra en la hierba en el rocío de la mañana, que llenaron uniformemente el espacio en expansión. A partir de entonces, la historia es esencialmente la de la teoría del Big Bang estándar: el espacio siguió expandiéndose y enfriándose tras la ráfaga expansiva, permitiendo que las partículas de materia se agruparan en estructuras como galaxias, estrellas y planetas que lentamente se disponían en el Universo que vemos actualmente.

El descubrimiento de Guth, bautizado como cosmología inflacionaria, junto con las importantes mejoras aportadas por Linde, y por Albrecht y Steinhardt, proporcionó una explicación para lo que desencadena la expansión del espacio. Un campo deHiggs asentado en su valor de energía cero puede proporcionar una explosión que impulsa al espacio a hincharse. Guth proporcionó un bang al Big Bang.

El marco inflacionario

El descubrimiento de Guth fue recibido rápidamente como un avance importante y se ha convertido en un elemento fundamental de la investigación cosmológica. Pero hay que advertir dos cosas. En primer lugar, en el modelo del Big Bang estándar se supone que el bang sucedió en el instante cero, en el comienzo mismo del Universo, de modo que se ve como el suceso de la creación. Pero de la misma forma que un cartucho de dinamita sólo explota cuando se prende de la manera adecuada, en la cosmología inflacionaria el bang ocurría solamente cuando las condiciones eran las correctas, cuando había un campo inflatón cuyo valor proporcionaba la energía y la presión negativa que alimentaba la ráfaga expansiva de la gravedad repulsiva, y eso no tenía por qué coincidir con la «creación» del Universo. Por esta razón, el bang inflacionario es considerado como un suceso que experimentó el Universo preexistente, pero no necesariamente como el suceso que creó el Universo. Seguimos ignorando del origen fundamental: específicamente, si la cosmología inflacionaria es correcta, ignoramos por qué hay un campo inflatón, por qué su cuenco de energía potencial tiene la forma correcta para que haya ocurrido la inflación, por qué hay espacio y tiempo dentro del cual tiene lugar toda la discusión, y, en la ostentosa expresión de Leibniz, por qué hay algo en lugar de nada.

Una segunda observación, relacionada con la anterior, es que la cosmología inflacionaria no es una sola teoría. Más bien, es un marco cosmológico construido en tomo a la idea de que la gravedad puede ser repulsiva y puede así impulsar un hinchamiento del espacio. Los detalles precisos de la ráfaga expansiva, cuándo sucedió, cuánto duró, la intensidad del empuje, el factor en que se expandió el Universo durante la ráfaga, la cantidad de energía que depositó la inflación en la materia ordinaria cuando la ráfaga finalizó, y así sucesivamente, depende de detalles, muy en especial de la forma y tamaño de la energía potencial del campo inflatón, que están actualmente más allá de nuestra capacidad de deducir a partir de consideraciones teóricas solamente. De modo que durante muchos años los físicos han estudiado todo tipo de posibilidades, varias formas para la energía potencial, varios números de los campos inflatón que funcionan en conjunto, y así sucesivamente, y han determinado qué elecciones dan lugar a teorías compatibles con las observaciones astronómicas.

Lo importante es que hay aspectos de las teorías cosmológicas inflacionarias que trascienden los detalles y son comunes a prácticamente cualquier realización. La propia ráfaga expansiva, por definición, es una de estas características y por ello cualquier modelo inflacionario tiene un bang. Pero hay otras características inherentes a todos los modelos inflacionarios que son vitales porque resuelven problemas importantes que han desconcertado a la cosmología del Big Bang estándar.

Desde que el Universo tenía unos 7.000 millones de años, su ritmo de expansión no ha estado decelerándose. Por el contrario, el ritmo de expansión ha estado acelerándose. Los físicos concluyeron que la expansión del Universo se frenó durante los primeros 7.000 millones de años tras la ráfaga inicial, de forma muy parecida a como un automóvil se frena cuando se acerca al peaje de una autopista. Esto era lo esperado. Pero los datos revelaban que la expansión del Universo ha estado acelerándose desde entonces. El ritmo de expansión del espacio 7.000 millones de años después del bang era menor que el ritmo de expansión 8.000 millones de años después del bang, que era menor que el ritmo de expansión 9.000 millones de años después del bang, y así sucesivamente, todos los cuales son menores que el ritmo de expansión hoy. La deceleración esperada de la expansión espacial ha resultado ser una aceleración inesperada. Pero ¿cómo podía ser esto? La respuesta ofrece la segunda opinión corroboradora con respecto al 70 por 100 ausente de la masa/energía que los físicos habían estado buscando.

El 70 por 100 ausente

Si se mira atrás a 1917, ya la introducción por Einstein de la constante cosmológica tiene información suficiente para sugerir cómo sería posible que el Universo se estuviera acelerando. La materia y la energía ordinarias producen gravedad atractiva ordinaria, que frena la expansión espacial. Pero a medida que el Universo se expande y las cosas se diluyen cada vez más, esta atracción gravitatoria cósmica, aunque sigue actuando para frenar la expansión, se hace más débil. Y esto nos lleva a un giro nuevo e inesperado.

Si el Universo tuviera una constante cosmológica, y si su magnitud tuviera el valor pequeño, su repulsión gravitatoria hubiese quedado abrumadoramente superada por la atracción gravitatoria normal de la materia ordinaria correcta hasta aproximadamente siete mil millones de años después del bang, dando un frenazo neto de la expansión en consonancia con los datos. Pero luego, a medida que la materia ordinaria se dispersaba y su atracción gravitatoria disminuía, el empuje repulsivo de la constante cosmológica (cuya intensidad no cambia cuando la materia se dispersa) habría ganado gradualmente la mano, y la era de expansión espacial decelerada habría dado paso a una nueva era de expansión acelerada.

A finales de la década de 1990, este razonamiento y un análisis en profundidad de los datos llevó a los físicos a sugerir que Einstein no se había equivocado ocho décadas antes cuando introdujo una constante cosmológica en las ecuaciones gravitatorias. El Universo, sugirieron, tiene una constante cosmológica. Su magnitud no es la que Einstein propuso, puesto que él buscaba un Universo estático en el que la atracción y la repulsión gravitatoria se compensaran exactamente, y estos investigadores encontraron que durante miles de millones de años ha dominado la repulsión. Pero independientemente de los detalles, si el descubrimiento de estos físicos siguiera superando el examen profundo y los estudios posteriores que hay ahora en curso, ello querría decir que, una vez más, Einstein había visto una característica fundamental del Universo, una característica que esta vez necesitó más de ochenta años para ser confirmada experimentalmente.

La velocidad de recesión de una supernova depende de la diferencia entre la atracción gravitatoria de la materia ordinaria y el empuje gravitatorio de la «energía oscura» suministrado por la constante cosmológica. Considerando que la cantidad de materia, visible y oscura, es de aproximadamente un 30 por 100 de la densidad crítica, los investigadores de supernovas concluyeron que la expansión acelerada que habían observado requería un empuje hacia afuera de una constante cosmológica cuya energía oscura aporta aproximadamente el 70 por 100 de la densidad crítica.

Éste es un número extraordinario. Si es correcto, no sólo la materia ordinaria, protones, neutrones, electrones, constituye apenas un raquítico 5 por 100 de la masa/energía del Universo, y no sólo la forma actualmente no identificada de materia oscura constituye al menos cinco veces esa cantidad, sino que también la mayoría de la masa/energía en el Universo es aportada por una forma completamente diferente y más bien misteriosa de energía oscura que está distribuida por el espacio. Si estas ideas son correctas, amplían de forma espectacular la revolución copernicana: no sólo no somos el centro del Universo, sino que la materia de la que estamos hechos es una especie de restos flotantes en el océano cósmico. Si protones, neutrones y electrones hubieran quedado fuera del gran diseño, la masa/energía total del Universo apenas hubiera disminuido.

Pero hay una segunda razón igualmente importante por la que el 70 por 100 es un número extraordinario. Una constante cosmológica que aporta el 70 por 100 de la densidad crítica, junto con el 30 por 100 procedente de la materia ordinaria y la materia oscura, elevaría la masa/energía total del Universo hasta el 100 por 100 predicho por la cosmología inflacionaria. Así pues, el empuje hacia afuera puesto de manifiesto por los datos de supernovas puede explicarse precisamente por la cantidad correcta de energía oscura necesaria para dar cuenta del 70 por 100 invisible del Universo que los cosmólogos inflacionarios habían estado buscando.

Las medidas de supernovas y la cosmología inflacionaria son maravillosamente complementarias. Cada una de ellas confirma la otra. Cada una proporciona una segunda opinión corroboradora para la otra. Combinando los resultados observacionales de las supernovas conlas ideas teóricas de la inflación llegamos al siguiente esbozo de la evolución cósmica: inicialmente la energía del Universo era transportada por el campo inflatón, que estaba fuera de su estado de mínima energía. Debido a su presión negativa, el campo inflatón desencadenó una intensa ráfaga de expansión inflacionaria. Luego, unos 10 ^-35 segundos más tarde, cuando el campo inflatón se deslizó hacia abajo por su gradiente de energía potencial, la ráfaga de expansión llegó a su fin y el inflatón liberó su energía sobrante para la producción de materia y radiación ordinarias.

Durante muchos miles de millones de años, estos constituyentes familiares del Universo ejercieron una atracción gravitatoria ordinaria que frenó la expansión espacial. Pero a medida que el Universo crecía y se enrarecía, la atracción gravitatoria disminuyó. Hace aproximadamente 7.000 millones de años la atracción gravitatoria ordinaria se hizo suficientemente débil para que la repulsión gravitatoria de la constante cosmológica del Universo se hiciera dominante, y desde entonces el ritmo de expansión espacial ha estado creciendo continuamente. Aproximadamente 100.000 millones de años a partir de ahora, todas las galaxias salvo las más próximas serán arrastradas por el hinchamiento del espacio a velocidad más rápida que la luz y así sería imposible que las viéramos, independientemente de la potencia de los telescopios utilizados. Si estas ideas son correctas, en el futuro lejano el Universo será un lugar enorme, vacío y solitario.

Interrogantes y progresos

Con estos descubrimientos parecía evidente que las piezas del rompecabezas cosmológico estaban encajando. Las preguntas que dejaba sin respuesta la teoría del Big Bang estándar, ¿qué desencadenó el hinchamiento del espacio?, ¿por qué es tan uniforme la temperatura de la radiación de fondo de microondas?, ¿por qué el espacio parece tener una forma plana?, eran abordadas por la teoría inflacionaria. Incluso así, se han seguido acumulandolas cuestiones espinosas respecto a los orígenes fundamentales: ¿hubo una era antes de la ráfaga inflacionaria, y si la hubo, cómo fue?, ¿qué introdujo un campo inflatón desplazado de su configuración de mínima energía para iniciar la expansión inflacionaria? Y, la pregunta más reciente de todas, ¿por qué está el Universo aparentemente compuesto de tal mezcla de ingredientes, 5 por 100 de materia conocida, 25 por 100 de materia oscura, 70 de energía oscura?

A pesar del hecho enormemente gratificante de que esta receta cósmica coincide con la predicción de la inflación de que el Universo debería tener un 100 por 100 de la densidad crítica, y aunque simultáneamente explica la expansión acelerada encontrada en los estudios de supernova, muchos físicos consideran esta mezcolanza muy poco atractiva. ¿Por qué, se han preguntado muchos, la composición del Universo ha resultado ser tan complicada? ¿Por qué hay un puñado de ingredientes dispares con abundancias tan aparentemente aleatorias? ¿Hay algún plan subyacente razonable que los estudios teóricos aún no han revelado?

Nadie ha adelantado ninguna respuesta convincente a estas preguntas; están entre los problemas de investigación apremiantes que impulsan la investigación cosmológica actual y sirven para recordarnos muchos de los nudos entrelazados que aún debemos desenredar antes de que podamos afirmar que hemos entendido por completo el nacimiento del Universo. Pero a pesar de los desafíos importantes que quedan, la inflación sigue en la vanguardia de la teoría cosmológica. Por supuesto, la creencia de los físicos en la inflación está basada en los logros obtenidos hasta ahora. Pero la confianza en la cosmología inflacionaria tiene raíces aún más profundas. Otras consideraciones, procedentes de descubrimientos tanto teóricos como observacionales, han convencido a muchos físicos que trabajan en el campo de que el marco inflacionario es la contribución más importante y más duradera de nuestra generación a la ciencia cosmológica.