Un modelo clásico deducido directamente de la Relatividad General predice una inflación cósmica sin campos extras.
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La teoría de la Relatividad General (RG) es uno de los mayores logros intelectuales del ser humano. Describe al propio espacio-tiempo como un campo y dice cómo se curva en presencia de masa y energía.
La RG ha superado todas las pruebas a las que se la ha sometido, incluida la colisión de los agujeros negros y la generación de ondas gravitacionales en el proceso. Incluso nuestro sistema GPS tiene en cuenta correcciones relativistas de este tipo para así tener mayor precisión.
Por otro lado, también tenemos la Mecánica Cuántica (MC) que describe el mundo de lo muy pequeño. Pero la RG es una teoría clásica, es decir, que no es cuántica. Además, presenta un problema: cuando retrocedemos en el tiempo con los modelos cosmológicos basados en RG aparecen singularidades. Esto nos dice que la capacidad de predicción de la teoría falla, pues no pueden aparecer esos infinitos. Simplemente se supera el régimen de aplicabilidad de la teoría. Es de esperar que esa singularidad desaparezca cuando se tenga un teoría cuántica de la gravedad, algo que todavía no tenemos.
Por otro lado, el universo observable presenta varios problemas para cualquier teoría cosmológica estandar al uso, como la ΛCDM. Lo que vemos es un universo muy plano, muy homogéneo e isótropo. Estas características no las predice el modelo ΛCDM (un universo con constante cosmológica y materia oscura fría), ni ninguno basado en RG a secas.
Para solucionar esto se introdujo en los años ochenta el concepto de inflación cósmica. Justo entre 10-33 y 10-32 segundos tras la singularidad inicial, el Universo habría experimentado un inflación brutal durante sólo 10-36 segundos. El universo habría multiplicado su tamaño en un factor 1026 durante ese tiempo, algo casi ni imaginable. Esto habría aplanado la geometría y uniformizado el universo que vemos, que pertenecería a una parte minúscula del universo original y que estaba ya en equilibrio térmico. Por eso el Fondo Cósmico de Microondas (FCM) es igual ahora en todas las direcciones en las que lo observemos.
Además de estas pruebas a su favor, quizás en un futuro se puedan detectar los famosos modos B del FCM, puestos ahí por las propias ondas gravitatorias generadas en el Big Bang.
A partir de la época inflacionaria el universo sería descrito por el modelo ΛCDM normal bajo la RG sin ningún problema.
La inflación soluciona así el problema de la planitud y uniformidad del Universo, pero introduce el problema de qué es lo que provocó la inflación cósmica. Hasta ahora se ha supuesto que existiría un campo inflacionario cuya partícula portadora sería el inflatón y que operaría esa escala de energías tal altas. Además de ser una chapuza puesta ad hoc, deja su posible comprobación experimental fuera de toda falsabilidad por los siglos de los siglos, pues ningún colisionador podrá crear inflatones jamás.
Ahora, un grupo internacional de físicos teóricos, en el que participan algunos españoles, propone una solución fabulosa a este problema. A su modelo lo denominan «inflación geométrica».
En la inflación geométrica se produce una inflación sin la necesidad de campos adicionales, ni inflatones, ni nada por el estilo. Sólo usan correcciones clásicas a la RG y pueden ver que la inflación aparece de manera natural al régimen en el que se da el Big Bang y sería un fenómeno puramente geométrico.
Como ellos mismos dicen, la presencia de un época inflacionaria es una consecuencia natural e inevitable de la existencia de una acción efectiva razonable que contiene una torre infinita de correcciones sobre la curvatura a la acción de Einstein-Hilbert de la RG.
Esos físicos parece que han conseguido vislumbrar, sólo usando conceptos clásicos y no cuánticos, una RG corregida para curvaturas muy altas, como las que se dieron durante el Big Bang. Para ello introducen correcciones a la acción de Einstein-Hilbert de la RG de una manera análoga (pero no igual) a cuando hacemos un desarrollo en serie de Taylor. El «primer término» del desarrollo sería la RG y los demás sólo tendrían una contribución no despreciable en un régimen de alta curvatura, siendo prácticamente nulos en el régimen normal.
Es de suponer que una teoría cuántica de la gravedad prediga un comportamiento similar, pero aún no tenemos tal teoría. Sin embargo, este modelo permite predecirlo sólo con aproximaciones clásicas.
La ventaja es que tenemos un modelo, o familia de soluciones, que predice el comportamiento del universo desde el momento 0 hasta el presente de manera continua conectando con el modelo ΛCDM de manera suave y natural.
En la imagen de cabecera se puede ver un gráfico en el que se muestra el factor de escala normalizado del universo frente al tiempo. En rojo sería en modelo ΛCDM normal y en azul el de la inflación geométrica. Siendo a0 el «tamaño de universo» en un tiempo posterior t0 para el cual las correcciones de alta curvatura ya no son necesarias. Para este caso y para el modelo ΛCDM, la singularidad inicial se alcanza para t-t0= -5L (choque de la línea roja con el eje horizontal). Pero, cuando se introducen las correcciones de la inflación geométrica, el valor a=0 nunca se alcanza en tiempo finito, sino que esta singularidad es sólo un comportamiento asintótico para t=-∞.
Quizás sea todavía demasiado pronto para asegurar si este modelo es correcto o no, pero, desde luego, es muy prometedor, además de muy bonito. Tampoco parece que hayan todavía realizado predicciones contrastables. ¿Cómo es la generación de ondas gravitacionales primordiales según esto? ¿Dejan alguna señal observable sobre el FCM? Habrá que esperar y ver.
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Fuentes y referencias:
Artículo original. [2]
Gráfica: Gustavo Arciniega y colaboradores.