Antes del Big Bang

Las claves de la gran explosión que dio lugar a la expansión del universo hace unos 13.800 millones parecen irse desvelando gracias a la enorme precisión de las observaciones cosmológicas recientes. Sabemos que dicha explosión no tuvo lugar en un solo punto del espacio, sino que sucedió de modo simultáneo en una región relativamente extensa. Y sin embargo, observando el fondo de radiación de microondas, que fue emitido poco después de la gran explosión, vemos que su temperatura es prácticamente idéntica en cualquier rincón de la misma. ¿Cómo pudo prepararse una explosión tan homogénea en una región tan extensa? La respuesta más plausible es que el Big Bang caliente estuvo precedido de una época de expansión acelerada, denominada inflación cósmica.

En 1981, Alan Guth propuso que la gravedad repulsiva debida a un tipo de materia denominada inflatón habría producido dicha aceleración. De este modo, una región de tamaño subatómico podría crecer en varias decenas de órdenes de magnitud en una escala de tiempo muy breve, hasta convertirse en algo tan grande, o incluso mucho mayor que el universo observable. Al final del periodo inflacionario, la energía del inflatón se transformaría en materia ordinaria, dando lugar a lo que normalmente denominamos el Big Bang caliente.

Aunque la naturaleza precisa del inflatón es desconocida, se trataría de un campo cuántico con propiedades análogas a las del que describe la partícula de Higgs recientemente descubierta en el CERN. Guth propuso su modelo en el contexto de las llamadas teorías de Gran Unificación, donde la escala de energía del inflatón seria del orden de 10^16 GeV, y la escala de tiempo correspondiente serían 10^(-41) s. Sin embargo, el mecanismo inflacionario podría funcionar también a escalas de energía mucho más bajas. Fue Andrei Linde quien demostró que el mecanismo de inflación era de hecho muy genérico y relativamente fácil de implementar en marcos teóricos muy diversos (incluyendo, en particular, el marco de la teoría de cuerdas).

Incluso en sus versiones más sencillas, investigadas desde hace más de 30 años, el modelo inflacionario da lugar a cinco predicciones genéricas que pueden ser contrastadas observacionalmente. La primera es que el universo tiene que ser espacialmente plano. Tres predicciones adicionales tienen que ver con las fluctuaciones cuánticas del inflatón, que se traducen en perturbaciones en la densidad de materia en el momento de la gran explosión. La primera de ellas es que la densidad de materia puede variar de un punto a otro, pero sin alterar la proporción de los diferentes ingredientes en la sopa cósmica. La segunda predicción es que dichas perturbaciones tienen aproximadamente la misma amplitud a todas las escalas de longitud, con una ligera ventaja a escalas grandes. La tercera es que la estadística que rige la amplitud de las perturbaciones es, en muy buena aproximación, la conocida campana de Gauss.

Las cuatro predicciones anteriores han sido confirmadas de manera espectacular mediante observaciones precisas del fondo de radiación de microondas, y explican de manera muy satisfactoria el origen de la estructura a gran escala en nuestro universo.

Aun así, para una parte importante de la comunidad científica, el modelo solo puede quedar validado de manera fehaciente tras comprobarse la quinta de las predicciones, que no es otra que un fondo de ondas gravitatorias producido por la fluctuación cuántica del espacio-tiempo durante la inflación.

La amplitud de dichas ondas gravitatorias dependería únicamente de la escala de energía del inflatón. A mayor energía, mayor amplitud. La reciente observación del modo B de polarización en BICEP2 parece indicar que efectivamente la escala de energía a la que sucedió la inflación es del orden de la escala de Gran Unificación, tal como Guth había inicialmente propuesto. Si la inflación hubiese tenido lugar a una escala de energía mucho menor, tal vez nunca podríamos tener la fortuna de detectar tales temblores del espacio tiempo. Serían demasiado tenues para ser vistos con los instrumentos de que disponemos, o podrían estar fácilmente enmascarados. Sin embargo, parece que ahí están. Dijo Einstein que Dios puede ser sutil, pero no malicioso. Por supuesto.

Jaume Garriga es catedrático de Física Teórica, en la Universidad de Barcelona.