El Universo Inflacionario: la “explosión” de la Gran Explosión “Y me enseñó algo más, una cosa pequeña, del tamaño de una nuez. Estaba en la palma de mi mano, redonda como una bola. La miré pensativa y asombrada.”¿Qué es esto?”. Y vino la respuesta: “Es todo lo creado”. Me maravillé de que existiera y no se hubiera desintegrado repentinamente; era tan pequeño” Juliana de Norwich (1368), Monja Benedictina Inglesa; visión contenida en el libro: “Sixteen Revelations of Divine Love”. Manuscrito en la Catedral de Westminster, Inglaterra.

Imagen de la radiación de fondo cósmico del Universo primordial

En la descripción clásica de la teoría de la Gran Explosión (Big Bang), la historia térmica del universo es bastante sencilla: la materia se enfría regularmente y el espacio se estira de forma continua. Transcurridos quince mil millones de años, estas evoluciones, sin alteraciones en su desarrollo aún continúan. Nuestro universo se ha mantenido en expansión durante todo ese tiempo, mientras otros universos podrían haber colapsado antes de que se formaran las estrellas. Si el universo hubiera colapsado antes de un millón de años, nunca llegaría a enfriarse por debajo de los 3000 K y durante toda su existencia sería una bola de fuego opaca a temperatura uniforme. Una expansión inicial algo más lenta habría conducido a un universo muy diferente del nuestro; y lo mismo habría sucedido con una expansión muy rápida: la energía de expansión habría superado la gravedad y la materia nunca se hubiera condensado en forma de galaxias. La teoría de la Gran Explosión no es en realidad una teoría de una gran explosión, es solamente una teoría de las consecuencias de un estallido. Las ecuaciones de esta teoría describen como la bola de fuego primordial se expandió, se enfrió y solidificó para formar galaxias, estrellas y planetas. La teoría de la Gran Explosión no nos dice nada acerca de qué fue lo que explotó, por qué explotó ni que sucedió antes de que explotase. La teoría del universo inflacionario es una teoría de la “explosión” de la Gran Explosión, y modifica solamente la interpretación de los primeros 10-36 segundos de la historia del universo, que pueden explicar su gigantesco tamaño y su equilibrio entre la gravedad y la expansión. En los últimos años se han encontrado poderosos argumentos teóricos y experimentales en favor de la existencia de una fuerza de naturaleza antigravitatoria, que produciría una repulsión cósmica que sería superior a la fuerza de atracción gravitatoria a las grandes densidades que habrían en el universo primitivo. Cuando el universo tenía apenas 10-36 segundos, su expansión se habría acelerado exponencialmente. Esto explicaría la homogeneidad del universo embrionario y la estabilidad del equilibrio entre las energías cinética y gravitatoria. La repulsión se debería a la particular naturaleza del espacio en esa fase primitiva. Antes de que se diferenciaran las fuerzas nucleares y electromagnéticas, el espacio vacío habría tenido una gran cantidad de energía latente, que tenía la

propiedad de producir una presión negativa, la que según las ecuaciones de la teoría de la relatividad general de Einstein, crea un campo gravitatorio atractivo. Sin embargo, una presión negativa también genera un campo gravitatorio repulsivo. En un estado efímero del universo primitivo, producto del superenfriamiento extremo, y que recibe el nombre de falso vacío, el componente de repulsión del campo gravitatorio es tres veces más fuerte que el componente de atracción. El falso vacío conduce a una repulsión gravitatoria muy fuerte, que hace que el universo se expanda exponencialmente. La expansión se describe mediante la duplicación del tiempo, que según las teorías de gran unificación debe ser aproximadamente de 10-37 segundos. En este pequeño intervalo de tiempo, todas las distancias del universo se expanden hasta alcanzar el doble de su tamaño inicial. Después de duplicarse tres veces sería ocho veces su tamaño original y luego de 100 duplicaciones, que equivalen a sólo a unos 10-35 segundos, el universo sería 1030 veces su tamaño inicial. Considerando que el estado de falso vacío superenfriado no es estable, la expansión exponencial no continua indefinidamente. El falso vacío desaparece finalmente debido al efecto túnel cuántico de un campo escalar (campos de Higgs); el campo no genera efecto túnel en todos los lugares del espacio al mismo tiempo, sino que al igual que sucede con el agua hirviendo, las burbujas de vacío se materializan aleatoriamente en el espacio, al igual que las burbujas de vapor se forman al azar en el agua hirviendo. Cada burbuja comienza siendo pequeña, pero las burbujas de la desintegración del falso vacío crecen a una velocidad cercana a la de la luz hasta que se van fusionando para llenar el espacio. La energía que se almacena en estos campos escalares, produce partículas de alta energía que colisionan o crean otras partículas, lo cual produce una sopa caliente de partículas a alta temperatura, que constituye exactamente el punto de partida que se supone para el desarrollo de la cosmología de la teoría estándar de la Gran Explosión. Estos campos escalares los cuales tienen valores distintos de cero en el vacío, y sirven para crear las diferencias entre las partículas que de otra manera serían iguales, son los responsables de todas las características que distinguen a los electrones de los neutrinos y los quarks, componentes fundamentales de toda la materia. La teoría de la Gran Explosión se fundamenta sobre dos observaciones básicas: la uniformidad a escala cósmica y el predominio de la gravedad. Esta teoría no describe el nacimiento del universo, sino su desarrollo y evolución hasta adquirir su forma actual. Ella no puede explicar algunas cuestiones fundamentales como, ¿por qué es uniforme el universo? Dos regiones en polos opuestos del espacio parecen iguales, aunque estén separados por más de 24 mil millones de años luz; la luz lleva viajando unos 12 mil millones de años, por lo que no existe la posibilidad de interacción entre ellas. No ha habido tiempo suficiente para que materia, calor, o luz fluyesen entre una y otra e igualaran su respectiva densidad y temperatura. Por lo tanto, la uniformidad del universo debió de ser anterior a su expansión. Otra pregunta que la teoría del Big Bang no puede explicar es, ¿por qué la velocidad de expansión del universo es tal, que es suficiente para contrarrestar el efecto de atracción ejercido por la fuerza de gravedad conjunta de toda la materia del cosmos? Para responder a esta pregunta, los astrofísicos utilizan la variable omega, Ω, el cociente entre la energía gravitatoria y la energía cinética (la energía contenida en el movimiento de materia conforme se expande el espacio). Esa variable es proporcional a la densidad de materia del

universo; una densidad mayor significa una fuerza de gravedad más intensa, y por lo tanto un valor mayor de Ω. Si Ω = 1, su valor nunca cambia. La densidad presente del universo no es ni cero ni infinito, el valor original de Ω tiene que haber sido exactamente uno. De acuerdo con la teoría del Big Bang la expansión del universo primitivo desaceleraba con el tiempo en tanto que la teoría inflacionaria lo aceleraba e inducía el distanciamiento, cada vez más rápido, de unos objetos de otros. Esta velocidad de separación llegó a ser superior a la velocidad de la luz, no violando la teoría de la relatividad, que prohíbe que cualquier cuerpo de masa finita se mueva más rápido que la luz. Lo que sucedía era que el espacio alrededor de los objetos se expandía más rápido que la luz, mientras los cuerpos permanecían en reposo en relación con él. A esta extraordinaria velocidad de expansión inicial se le atribuye la uniformidad del universo visible, las partes que lo constituían estaban tan cerca unas de otras, que tenían una densidad y temperatura comunes. Fue Alan H Guth del Instituto Tecnológico de Massachussets (M.I.T.) el que en 1981, sugirió que el universo caliente, en un estadio intermedio, podría expandirse exponencialmente. La idea de Guth postulaba que este proceso de inflación se desarrollaba mientras el universo primordial se encontraba en el estado de superenfriamiento inestable. Este estado superenfriado es común en las transiciones de fase; por ejemplo en condiciones adecuadas el agua se mantiene líquida por debajo de cero grados. Por supuesto, el agua superenfriada termina congelándose; este suceso ocurre al final del período inflacionario. En 1982 el cosmólogo ruso Andrei Linde introdujo lo que se llamó “nueva hipótesis del universo inflacionario”. Linde se da cuenta de que la inflación es algo que surge de forma natural en muchas teorías de partículas elementales, incluidos los modelos más simples de los campos escalares. Los físicos hicieron uso de los campos escalares para lograr la unificación de la interacción electromagnética y la interacción nuclear débil. Los campos escalares llenan el universo y se manifiestan por sus efectos sobre las propiedades de las partículas elementales. Considerando todos los posibles tipos y valores de campos escalares en el universo primordial y tratando de comprobar si alguno de ellos conduce a la inflación, se encuentra que en los lugares donde no se produce ésta, se mantienen pequeños, y en los dominios donde acontece terminan siendo exponencialmente grandes y dominan el volumen total del universo. Considerando que los campos escalares pueden tomar valores arbitrarios en el universo primordial, Andrei Linde llamó a esta hipótesis “inflación caótica”. La teoría del universo inflacionario, predice que el universo debe ser esencialmente plano, lo cual puede comprobarse experimentalmente, ya que la densidad de materia de un universo plano guarda relación directa con su velocidad de expansión. La otra predicción comprobable de esta teoría tiene que ver con las perturbaciones de densidad producidas durante la inflación. Se trata de perturbaciones de la distribución de materia en el universo, que incluso podrían venir acompañadas de ondas gravitacionales. Las perturbaciones dejan su huella en el fondo cósmico de microondas, que llena el cosmos desde hace casi 15 mil millones de años.

La radiación del fondo cósmico de microondas se emitió unos 500.000 años después de la gran explosión inicial, cuando los electrones y protones del plasma primordial (la sopa densa y caliente de partículas subatómicas que llenaba el universo primitivo), se combinaron y formaron átomos de hidrógeno. Esta radiación nos permite observar una instantánea de ese universo primordial. En 1992, el satélite Explorador del fondo cósmico de microondas (COBE), de la NASA, que se había diseñado para medir diferencias de temperatura inferiores a la cienmilésima, detectó variaciones de solamente una parte en 10.000, de la temperatura de la radiación. Esas variaciones evidenciaban que en el plasma primordial hubo pequeños grumos, inhomogeneidades de la distribución de masa que evolucionaron después hasta convertirse en las macroestructuras del cosmos: las galaxias, los cúmulos y supercúmulos de galaxias que existen en nuestro universo actual. Stephen Hawking, el famoso físico británico, expresó con este acontecimiento, que el COBE nos había mostrado el “nacimiento cuántico” de nuestro universo, ya que la teoría inflacionaria predecía fluctuaciones de la temperatura similares a las detectadas cuando el universo tenía 10-36 segundos de existencia. La nave espacial Planck, cuyo lanzamiento está previsto para el año 2007, levantará el mapa más exacto del fondo cósmico de microondas, y se confía encontrar pruebas directas de la existencia del período inflacionario. La más contundente sería la observación de ondas gravitatorias inflacionarias.

Evolución del Universo con la materia oscura.

Evolución del Universo sin la materia oscura.

Las ondas gravitatorias llevarían información y energía de las fuentes que las producen. Además se propagarían sin impedimentos a través de la materia que si absorbería todas las formas de radiación electromagnética. La teoría de la inflación predice que la expansión extraordinaria del universo 10-38 segundos después de la gran explosión produjo ondas gravitatorias, cuyos ecos fueron propagándose a través del universo primitivo, y 500 mil años después dejaron leves perturbaciones en el fondo cósmico de microondas que serían observables ahora. De existir estas ondas gravitatorias, constituirían la reliquia más antigua del universo, porque se habrían creado 500 mil años antes de que se produjera la emisión de la radiación del fondo cósmico de microondas. Las longitudes de onda de las ondas gravitatorias inflacionarias abarcan un intervalo comprendido entre un centímetro y 1023 kilómetros, el tamaño actual del universo visible. La detección de las ondas gravitatorias nos ofrecería la prueba irrefutable de la existencia del período inflacionario, y podríamos observar a través de las tinieblas antes de que se hiciera la luz, el principio de los tiempos, solo 10-38 segundos después de la gran explosión, y al fin quizá estar en la posibilidad de contestar a las preguntas que más han importado a la humanidad: ¿De dónde vino el universo? ¿Qué hubo antes, si es que hubo algo? ¿Cómo llegó el universo a su estado actual? ¿Cuál es su futuro?

Prof. Warner Chaves Vargas Escuela de Física

Instituto Tecnológico de Costa Rica