46 La inflación cósmica

¿Por qué es igual el universo en todas direcciones? ¿Y por qué cuando los rayos de luz paralelos atraviesan el espacio, continúan siendo paralelos de tal forma que vemos estrellas separadas? Creemos que la respuesta es la inflación, la idea de que el universo primigenio fue engullido tan rápidamente en una fracción de segundo que sus irregularidades se alisaron y la expansión posterior equilibró la gravedad con gran exactitud.

El universo en el que vivimos es especial. Cuando lo contemplamos, vemos claramente formaciones de estrellas y galaxias lejanas sin distorsión alguna. Pero fácilmente podría ser de otra manera. La teoría de la relatividad general de Einstein describe la gravedad como una hoja curvada del espacio y el tiempo sobre la cual los rayos de luz retoman el camino por trayectorias curvas (véase Capítulo 41). Por lo tanto, potencialmente, los rayos de luz se podrían mezclar y el universo que vemos aparecería distorsionado, como reflejos en una sala de espejos. Pero en general, aparte de alguna desviación ocasional para sortear una galaxia, los rayos de luz tienden a viajar más o menos en línea recta por el universo. Nuestra perspectiva continúa siendo clara todo el rato hasta el límite visible.

Planicidad Aunque la teoría de la relatividad concibe el espacio-tiempo como una superficie curvada, los astrónomos a veces describen el universo como «plano», refiriéndose a que los rayos de luz paralelos continúan siendo paralelos al margen de lo lejos que viajen por el espacio, como sucedería si viajaran por un plano llano. El espacio-tiempo se puede representar como una hoja de goma, donde los objetos pesados la deprimen y los demás se hunden en ella, representando la gravedad. En realidad, el espacio-tiempo tiene más dimensiones (al menos cuatro: tres espaciales y una temporal), aunque son difíciles de imaginar. Tras la explosión del big bang, esta estructura está en continua expansión. La geometría del universo es tal que la hoja casi siempre permanece plana, como la encimera de una mesa, aunque presenta algunos pequeños bultos u hoyos aquí y allá, debido a los patrones de la materia. Por tanto, la trayectoria de la luz por el universo apenas se ve afectada, salvo por algún que otro rodeo alrededor de un cuerpo masivo.

Si hubiera demasiada materia, toda la hoja se hundiría y finalmente se doblaría sobre sí misma, invirtiendo la expansión. En este escenario, los rayos de luz inicialmente paralelos finalmente convergerían en un punto. Si la materia fuera excesivamente escasa para deprimirla, la hoja del espacio-tiempo se alargaría y llegaría a romperse. Los rayos de luz paralelos divergirían al atravesarla. Sin embargo, nuestro universo real se encuentra en algún punto medio, con la suficiente materia para mantener unida la estructura del universo al tiempo que se expande continuamente. Por lo tanto, el universo parece estar en perfecto equilibrio (véase el recuadro).

Monotonía Otra característica del universo es que tiene prácticamente el mismo aspecto en todas direcciones. Las galaxias no se concentran en un punto, sino que están diseminadas en todas direcciones. Esto quizá no resulta demasiado sorprendente a primera vista, pero es inesperado. El universo es tan grande que es un misterio cómo se han podido comunicar sus extremos opuestos, ni siquiera a la velocidad de la luz. Después de existir durante 14.000 millones de años, el tamaño del universo es superior a 14.000 millones de años luz de un extremo a otro. De modo que, aunque la luz viaja a la máxima velocidad alcanzable por cualquier señal transmitida, no ha tenido tiempo de llegar de un extremo al otro. Entonces, ¿cómo sabe un extremo del universo el aspecto que tiene el otro? Éste es el «problema del horizonte», en el cual el «horizonte» es la máxima distancia a la que ha viajado la luz desde el nacimiento del universo, trazando una esfera iluminada. Por tanto, hay regiones en el espacio que no podemos, ni nunca podremos ver, puesto que la luz de allí aún no ha tenido tiempo de llegar hasta nosotros.

Suavidad El universo es también bastante suave. Las galaxias están dispuestas de una forma bastante uniforme en el cielo. Si entrecerramos los ojos, muestran un brillo uniforme en lugar de agruparse en unas cuantas grandes zonas. Nuevamente, no tendría que haber sido así. Las galaxias han crecido con el tiempo debido a la gravedad. Empezaron siendo un simple punto con una densidad ligeramente excesiva en el gas que quedó del big bang.

Ese punto comenzó a colapsarse a causa de la gravedad, formando estrellas y finalmente una galaxia. Las semillas originalmente superdensas de las galaxias se abrieron debido a los efectos cuánticos, cambios minúsculos en la energía de las partículas en el caliente universo embrionario. Pero podrían haberse desarrollado para formar grandes zonas de galaxias, como la piel de una vaca, diferente del mar homogéneo que observamos. En la distribución de la galaxia, encontramos un gran número de montículos en lugar de unas pocas cordilleras gigantescas.

Pegar el estirón Los problemas de la planicidad, el horizonte y la suavidad del universo se pueden resumir en una idea: inflación. La inflación fue desarrollada en 1981 por el físico americano Alan Guth, a modo de solución. El problema del horizonte, que el universo parece igual en todas direcciones aunque es demasiado grande para que lo sepamos, implica que el universo debió de ser en algún momento tan pequeño que la luz se podía comunicar entre todas sus regiones. Como ya no es así, debe haberse inflado con gran rapidez hasta alcanzar el universo proporcionalmente mayor que actualmente vemos. Pero este período de inflación se habrá producido extraordinariamente rápido, a una velocidad muy superior a la de la luz. La rápida expansión, doblándose en tamaño y volviéndose a doblar en una fracción de segundo, igualó las ligeras variaciones de densidad imprimidas por las fluctuaciones cuánticas, como sucede con el patrón estampado de un globo que se infla, que se va desdibujando. Por tanto, el universo se suavizó. El proceso inflacionario también estableció el equilibrio posterior entre la gravedad y la expansión final, procediendo después a un ritmo mucho más pausado. La inflación tuvo lugar casi inmediatamente después de la bola de fuego del big bang (10^-35 segundos después).

La inflación todavía no se ha demostrado y su causa última no se comprende del todo bien —hay tantos modelos como teóricos—, pero su comprensión será el objetivo de la siguiente generación de experimentos cosmológicos, incluyendo la producción de mapas más detallados de la radiación de microondas del fondo cósmico y su polarización.

Cronología:

1981 d. C.: Guth propone la inflación.

1992 d. C.: El satélite COBE (COsmic Background Explorer) detecta zonas calientes y frías y mide su temperatura.

2003 d. C.: La sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Porbe) dibuja un mapa de la radiación de microondas del fondo cósmico.

La idea en síntesis: el estirón cósmico