La inflación cósmica

La inflación cósmica fue introducida hace 30 años por Alan H. Guth (entonces postdoc en el SLAC, Stanford Linear Accelerator Center). Una hiperaceleración brevísima de la expansión del universo en los primeros instantes de la gran explosión (big bang). La inflación forma parte del modelo cosmológico de consenso, aunque muchos teóricos, el más famoso es Roger Penrose, dudan de ella. ¿Se puede verificar encontrar evidencias [pruebas indiscutibles] de la inflación cósmica de forma experimental?

Muchos cosmólogos creen que el satélite Planck de la ESA será capaz de observar señales de la inflación en su estudio del fondo cósmico de microondas. Estas señales permitirán demostrar si la inflación realmente ha existido y cuáles han sido sus características. Los llamados modos B que se supone que podrán ser observados por Planck, aunque su debilidad extrema podría complicar su deteccióin, mostrarán trazas de las ondas gravitatorias producidas durante la inflación; gracias a estas ondas se podrán descubrir los detalles del potencial de energía responsable de la dinámica del inflatón, el campo o partícula responsable de la inflación cósmica.

A principios de 2013, en enero se cumplen los 3 años y medio del lanzamiento, se espera la publicación de los primeros resultados de Planck sobre el fondo cósmico de microondas, muchos estaremos expectantes. Nos lo ha contado Paul J. Steinhardt, “The Inflation Debate. Is the theory at the heart of modern cosmology deeply flawed?,” Scientific American, April 2011 [aparecerá en español en Investigación y Ciencia en el número de junio de 2011]. Permitidme un breve resumen para ir abriendo boca.

La teoría de la gran explosión asume que el universo inició la flecha del tiempo y la expansión cósmica hace 13 700 millones de años. El universo es más grande de lo necesario para explicar por qué es tan homogéneo y tan isótropo a grandes escalas. La inflación cósmica es la explicación más sencilla: las inhomogenidades y las anisotropías en los primeros instantes de la gran explosión serían aplanadas por la hiperexpansión del espacio durante la inflación dejando un universo primitivo tan homogéneo e isótropo como el que conocemos hoy en día. La inflación cósmica aparece en todos los libros de texto aunque en la actualidad es una teoría sin verificación el apoyo de evidencia experimental específica. Más aún, tampoco conocemos qué energía inflacionaria (el campo cuántico llamado inflatón) que antigravita es su responsable; para el campo inflacionario la gravedad debe ser repulsiva en lugar de atractiva. El inflatón es un campo escalar (un partícula escalar) como el campo de Higgs (como la partícula de Higgs) responsable de un incremento en el tamaño del universo de 25 órdenes de magnitud (× 1025) durante una millonésima de billonésima de billonésima de segundo (10–30 s). Un crecimiento tan rápido y tan grande del radio del universo resulta en un universo plano, homogéneo e isótropo similar al obervado en la actualidad.

Los detalles de la inflación cósmica dependen del potencial de autointeracción del inflatón. La forma exacta de este potencial conduce a diferentes tipos de inflación que se diferencian en el tamaño de las pequeñas inhomogeneidades y anisotropías que permanecen tras la inflación y que más tarde dan lugar a la formación de las primeras galaxias. En los modelos más sencillos para el inflatón se introduce un parámetro que, grosso modo, tiene que tener un valor adecuado para que la inflación sea “buena” (compatible con la distribución a grandes escalas de la materia en el universo). Si el parámetro es demasiado pequeño o demasiado grande la inflación es “mala” y puede ser descartada. El ajuste fino de este parámetro requiere un error menor de 15 dígitos decimales, como mostró Roger Penrose a finales de los 1980. Este ajuste fino de la inflación ha llevado a muchos cosmólogos a recurrir al principio antrópico como explicación.

Un problema adicional de la inflación, descubierto en 2008 por Gary W. Gibbons (Universidad de Cambridge) y Neil G. Turok (Perimeter Institute for Theoretical Physics, en Ontario) es la inflación eterna. En la gran explosión lo más “natural” es que hayan surgido infinidad de universos burbuja, cada uno con sus propias leyes físicas, siendo el nuestro uno entre dicha infinidad. Estudiando la probabilidad de que aparezca un universo como el nuestro en el multiverso resulta que esta probabilidad es muy baja. Finalmente, el último gran problema de la inflación es la determinación del momento en el que para. Si para o después no tendríamos un universo como el que observamos, pero la probabilidad de que el campo del inflatón pare la inflación en el momento adecuado para lograr un universo plano como el observado resulta un número muy pequeño.

En resumen, la inflación es una idea maravillosa para explicar el universo, pero el diablo está en los detalles. El año que viene se publicarán los primeros datos sobre el fondo cósmico de microondas del satélite Planck. Aportarán información muy relevante sobre los detalles de la inflación. Habrá modelos que sobrevivan y otros tendrán que ser descartados. La ciencia es apasionante.

PS (nota histórica): La inflación cósmica fue propuesta por Starobinsky en 1979, Guth en 1981, Sato en 1981, Linde en 1982 y muchos otros.

PS (resultados de WMAP 7): La inflación predice una distribución estadística casi gaussiana para las fluctuaciones primordiales que se observan en el fondo cósmico de microondas. Aunque se ha dicho que WMAP 7 ha encontrado ciertas señales (en concreto los multipolos altos están algo reforzados comparados con los bajos) que han sido interpretadas como una prueba de la inflación, todavía es pronto para poder afirmar que la inflación está demostrada experimentalmente fuera de toda duda (aunque la mayoría de los físicos teóricos, yo incluido, creemos que es la teoría correcta). Esta figura está extraída de Komatsu, E., et.al., “Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Interpretation,” ApJS, 192, 18 (2011) [ApJ / preprint / astro-ph]. Sin embargo, la prueba definitiva será la observación de ondas gravitatorias producto de la inflación. Si queremos ser rigurosos, los datos de WMAP 7 son compatibles con la inflación, pero no demuestran la inflación (aunque Hawking, Zel’dovich y muchos otros hayan afirmado sí lo demuestran fuera de toda duda).

PS: He cambiado “verificación experimental” por “evidencia experimental,” es decir, por pruebas fuera de toda duda. Hoy en día los hechos experimentales que llevaron a la propuesta de la teoría de la inflación son los únicos que la apoyan. Hay pruebas que podrían estar en contra de la teoría y no lo están (como las de WMAP 7) pero no hay pruebas indiscutibles que permitan discernir entre la inflación y otras teorías que también explican los hechos experimentales que la apoyan.

PS (3 junio 2012): Los que tengan acceso disfrutarán con el interesante artículo de Amanda Gefter, “Bang goes the theory,” New Scientist, 30 june 2012. “El gran problema de la inflación es que una vez que empieza no puede parar, con lo que tras el Big Bang se forman infinidad de “universos” o lo que muchos llaman un “multiverso” inflacionario. Esto es un problema porque resta valor predictivo a la inflación (predecirlo todo es lo mismo que no predecir nada).”

El artículo propone como más razonable una reinterpretación del Big Bang de mano de la teoría de cuerdas, como dos branas que colisionan. Ciertos cálculos recientes apuntan a que este modelo tiene las mismas consecuencias que la inflación, por lo que predice una “inflación aparente” y un “Big Bang aparente.” Una propuesta sugerente aunque todavía muy alejada de lo medible de forma experimental.

13 pensamientos en “La inflación cósmica

  1. Alan Guth hablaba de Dominios, regiones a diferentes tasas de inflación que se separaban del nuestro por su física en el momento del cambio de fase , así, este universo( más allá del observable) sería un domino de otro mayor, al que llamaron creo que erróneamente multiverso (porque quita su característica mas distintiva que es un origen común), pero lo mas alucinante es la osada afirmación junto a Linde de que lo que realmente hizo la inflación fue amplificar las fluctuaciones cuánticas a la escala del universo por lo que al ver los cúmulos y supercúmulos vemos las evidencias mas frías de lo que antes era escala cuántica. Y cuadra muy bien con el hecho de que los supercúmulos mantienen una estructura que casi no ha cambiado desde su origen mas que por el hecho de crear galaxias en el proceso, un conveniente detalle.

  2. Hola, Francis, buen artículo. Veo que te arriesgas y apuestas por la validez del modelo inflacionario. Yo no tengo claro que significan los términos inflacionario, acelerado y expandido, o al menos no lo tengo claro cuando esos términos tratan de describir datos del cosmos, de su génesis y desarrollo. Mi perplejidad nace con las ecuaciones de campo de Einstein, que, es sabido, alumbran varias soluciones para distintos modelos del universo.

    Por ejemplo, de Sitter creyó ver un universo con poca densidad y en expansión creciente. A. Friedman predijo varios años antes que Hubble que el universo no era estático. El universo de Friedman, al igual que el de Einstein, era una esfera finita e ilimitada, pero se expandía con el tiempo. Pero el gran dinamizador del modelo inflacionario fue Hubble. Ahora bien, Hubble descubrió un hecho que parece inquietante y que nos obliga a investigar qué queremos decir cuando usamos la palabra “universo”.

    Hubble demostró que la luz procedente de las galaxias lejanas estaba desplazada al rojo. No sólo esto, sino que un grupo de esas galaxias remotas se aleja con una velocidad creciente, situándose así en distancias cada vez mayores. La velocidad de alejamiento o velocidad recesiva es directamente proporcional a la distancia respecto de nuestra galaxia. Yo no sé si es acertado decir que el universo es “homogéneo e isótropo” cuando grupos de galaxias se alejan de nosotros a toda velocidad ¿hay homogeneidad e isotropía” en ese movimiento recesivo?

    Otro dato que me parece inquietante es que la aceleración del universo no se debe a la materia ordinaria o bariónica sino a la energía oscura. Parece ser que había poca energía oscura al comienzo del universo (o según lo que algunos modelos entienden por el comienzo del universo), pero al expandirse el cosmos también creció la energía oscura, en la actualidad constituye el 70% de toda la energía universal. Esto quiere decir que el universo no se expande, infla y acelera por causa de la materia ordinaria sino por la acción de la energía oscura.

    Si como parece confirmarse, el universo se acelera/expande, no es descabellado conjeturar que dicha expansión centrifugará la materia bariónica. Entonces el globo inflacionario, en vez de inflarse en redondo de un modo homogéneo, se inflará como un plátano porque la presión de la energía oscura achatará la materia ordinaria. Al final el universo colapsará, pero no por la acción gravitatoria de la materia bariónica, sino por la presión centrífuga de la energía oscura sobre la materia ordinaria.

  3. Parece que Linde anda por el camino correcto, por el hecho de que la inflacción pudo haber ocurrido por la amplificación de las fluctuaciones cuanticas, producidas estas tal vez por el choque de más de una brana en un multiverso, por ahí es que anda la cosa, ya nos informaremos mejor con las informaciones de Fondo Cosmico de Microonda que recoja Planck.

    • Pero a ver, Carlos y todos los que hablan en física sobre multiversos o branas: ¿qué evidencia observacional directa o indirecta os hace concebir la física en términos de branas o de multiversos?.

  4. Hay que ponerle atención a la teoría de Roger Penrose de que el Big Bang pudo haber sucedido más de una vez por las evidencias de ondas descubiertas por él en el Fondo Cósmico de Microondas, muy vagas por cierto, las cuales no sustentan estas hipótesis.

    • Bueno, contestando en general, por los tiempos verbales futuros.
      “Los llamados modos B que se supone que podrán ser observados por Planck,”
      “el satélite Planck de la ESA será capaz de observar señales de la inflación”

      Ya imagino que se dice en sentido figurado, como si lo que no estuviese publicado es como si no estuviera observado o algo así.

      Sigo pensando que guardar datos cientificos en privado tanto tiempo cuando se han hecho con fondos publicos es algo criticable. Se los estan guardando varios años y no unas semanas ni meses.

      • Me suena que en Estados Unidos hay alguna ley al respecto, y los datos deben ser hecho publicos mucho mas rapido.

    • Fer137, ya lo conté en “Objetivo cumplido: El satélite Planck logra cuatro mapas completos del fondo cósmico de microondas.” El quinto mapa no se completó (en todos los canales de frecuencia). Pero Planck sigue tomando en los canales de frecuencia donde puede hacerlo aún.

      El análisis de los datos de Planck es extremadamente difícil. Sobre todo porque lo más interesante (modos B) está en el límite de todos los algoritmos utilizados. No es una cuestión de que apetezca o no, es una cuestión de desarrollar nuevos algoritmos de análisis específicos para los datos que se tienen.

      En enero de 2013 habrá una publicación de resultados provisionales, pero habrá muchas más publicaciones posteriores, con algoritmos mejorados. Lo que se quiere ver y que ni WMAP 7 ni ACT ni otros han podido ver, puede que esté, o puede que no, pero verlo es difícil en extremo.

      Saludos,
      Francis

      • Me refiero a los datos. Liberandolos mas gente podría hacer sus analisis. Una cosa es que tengan preferencia y otra que se los guarden 3 años.

  5. Hola, tengo una duda sobre el big bang, tal vez algun lector (o con suerte francis) pueda darme una respuesta: si suponemos que toda la materia y energia que contiene el universo provienen del big bang, y si suponemos que el universo es un sistema cerrado, ¿de donde proviene esa energia/materia inicial? ¿como es posible que haya energia/materia inicial en un sistema cerrado?

    En mi ignorancia se me ocurren dos respuestas:
    1) el big bang no es el origen real, ante lo cual solo se corre la arruga (se mueve el problema) hacia atras en el tiempo
    2) o peor: el big bang es la MAYOR VIOLACIÓN A LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

    El “problema” con la primera respuesta es que “no es respuesta”, ya que entonces caben las preguntas ¿de donde salio la energia que utilizó el big bang? ¿que hay antes del big bang?

    Y el problema con la segunda respuesta es que las maquinas de movimiento perpetuo deberian revisarse con más objetividad ya que si esa violación ocurrió una vez puede producirse nuevamente.

    Seguramente hay una respuesta simple a mi pregunta, solo que yo no lo veo

  6. Como Einstein argumentaba con acierto, el universo tiene que ser cerrado, finito, porque si no es así el cosmos pierde toda su energía por radiación térmica. Pero el modelo inflacionario postula que no, que el universo es abierto porque se expande/acelera. Entonces el modelo inflacionario, que es fiel a la teoría de la entropía, nos lleva a la extinción del universo por muerte térmica. ¿Hay algún modo de soslayar la extinción? Bueno, si existen otras dimensiones más allá de las tres habituales podríamos amortiguar el desgaste producido por la entropía. Pero de momento el modelo inflacionario/expansivo es el dominante, pese a que al final del mismo aguarda el ocaso.

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