Universo Inflacionario: Parte III – Solución a los problemas del big bang

Antes de leer esta entrada se recomienda leer la descripción de los problemas de la teoría estándar de la cosmología:

Todo el mundo tiene problemas… el big bang también

El problema del Horizonte en Cosmología

Una vez leídas estas entradas vamos a intentar explicar en esta cómo la inflación propone soluciones a los mencionados problemas. La explicación será conceptual.

Esta entrada forma parte del minicurso: Universo Inflacionario

Este curso tendrá dos partes, la segunda parte será más técnica y entraremos en detalles matemáticos.

Problema de la planitud

Tal y como indica la figura la inflación resuelve el problema de la planitud por construcción.

¿En qué consiste el problema?

Nuestro universo puede tener curvatura, las secciones espaciales tridimensionales pueden tener curvatura positiva (como la esfera) o curvatura negativa (como una silla de montar).  Un caso límite es que el universo sea plano (en las superficies tridimensionales espaciales).  Resulta que las medidas nos dicen que el universo en el que vivimos está muy muy cerca de la planitud. Esto es ciertamente curioso porque hay infinitas posibilidades de que tuviera curvatura y sin embargo está en el caso límite que es único.

Para conseguir eso el universo debería de haber empezado en unas condiciones iniciales muy peculiares, tan peculiares que son altamente improbables. Este es un problema de ajuste fino de esos que a los físicos les gustan tan poco (para otro ejemplo que involucra un ajuste fino leer: Jerarquías, dimensiones y radiones II).

La inflación resuelve este problema. Da igual la curvatura inicial del universo, una expansión acelerada haría que a nuestro alrededor percibamos el universo plano. Un ejemplo se puede ver en la siguiente figura del globo y la hormiga:

Una vez pasada la inflación la evolución del universo nos puede sacar otra vez de la planitud. De hecho, en nuestro universo sabemos que la expansión se está acelerando con lo que el universo no es plano sino abierto (geometría de una silla de montar).

Problema del monopolo o de la reliquias

Este problema se basa en el hecho de que según las teorías que tenemos de las partículas elementales en algún momento del universo las tres interacciones no gravitatorias (electromagnetismo, débil y fuerte) eran una única interacción. Esto es lo que se conoce como gran unificación (GUT).  En estas teorías aparecen «partículas» y otras cosas que son «exóticas». Por ejemplo, monopolos magnéticos, defectos topológicos como cuerdas cósmicas o paredes cósmicas.

Además sabemos que durante la etapa GUT la producción de estas cosas fue masiva. Lo cual haría que nuestro universo recolapsara justo después de nacer ya que estas cosas harían que la densidad de energía fuera muy alta y la gravedad dominara sobre la expansión. Y por otro lado, no vemos tales cosas a nuestro alrededor.

¿Qué podría haber causado la «desaparición» de estas cosas?

La inflación también responde a esto. Y soluciona este problema por varias razones:

a)  Dado que existe una expansión exponencial muy rápida cualquier volumen que tomemos aumenta mucho de tamaño en poco tiempo. Esto hace que la densidad de estos bichos GUT decrezca tanto que su presencia sea despreciable en el universo.

Si nos fijamos en la densidad de estas cosas exóticas en un volumen imaginario dado lo que veremos es que esta disminuye dramáticamente:

b)  Además, la inflación se tuvo que dar en el tiempo en el que el universo estaba creando estas partículas. Con lo cual iban siendo «diluidas» conforme se estaban creando:

Créditos: Jeb

Entraremos en más detalles sobre esto cuando hagamos la discusión técnica.

Problema del horizonte

Este problema consiste en que vemos que nuestro universo es homogéneo. De hecho, en la radiación cósmica de fondo vemos que puntos que no pudieron estar en contacto tienen la misma temperatura (más o menos). Esto quiere decir que debe de existir un mecanismo por el cual se llegó al equilibrio térmico entre puntos que no pudieron ser conectados ni tan siquiera por partículas que viajaran a la velocidad de la luz. (El problema está explicado en esta entrada: El problema del horizonte en cosmología)

¿Cómo resuelve la inflación este problema?

La solución es simple, en realidad los puntos que nosotros suponemos que no estuvieron en contacto sí lo estuvieron en el origen del universo. Resulta que estos puntos al sufrir la expansión acelerada producida por la inflación ahora están a distancias que parecen que anteriormente no pudieron estar en contacto si no consideramos la expansión inflacionaria.

Es decir, lo que vemos que nos llega en equilibrio térmico de la radiación cósmica de fondo es porque dicha región creció durante la inflación más que el radio observable (que es la distancia que recorrería la luz en un tiempo dado). Por eso vemos que todos esos puntos tienen la misma temperatura porque en realidad eran una porción muy pequeña del universo que se estiró más que el radio observable.  Esto se explica en las siguientes figuras:

a) Pongámonos en el origen del universo en el punto en el que estamos ahora. Entonces elegimos dos puntos A y B que están en contacto y que han llegado al equilibrio térmico.
b)Ahora se produce la expansión inflacionaria. Estos puntos se separan exponencialmente durante este proceso. Pero evidentemente no les da tiempo a perder el equilibrio térmico porque el proceso es muy rápido.
c) Actualmente, al mirar a A y B y extrapolar dónde estarían en el origen del universo sin considerar la inflación deduciríamos que no podrían estar en equilibrio.
La inflación, por lo tanto, responde a este problema del horizonte.

Como vemos la inflación responde bien a los problemas de la cosmología estándar. Es el proceso que, de hecho, fundamenta que la cosmología estándar funcione tan bien y además carezca de estos problemas tan fundamentales.

La cuestión es ¿cómo se produjo la inflación? ¿cómo se para este proceso? ¿Qué tipo de sistema físico puede producirla?  Intentaremos responder a esto en próximas entregas.

Nos seguimos leyendo…