Real Sociedad Española de Física - RSEF

Emergencia de las estructuras cósmicas desde el espacio-tiempo cuántico Destacado

Ivan Agulló, investigador en el Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge

No es exagerado decir que la Cosmología actual experimenta su época dorada. En palabras de Steven Weinberg, "la Cosmología ofrece ahora el entusiasmo que la física de partículas experimentó en los años 60 y 70". Y cito esta frase porque, viniendo de alguien que obtuvo el premio Nobel por la formulación del elegante y complejo Modelo Estándar, es mucha frase. El punto de inflexión en cosmología lo han proporcionado las observaciones, capaces de medir parámetros cosmológicos con precision mayores del uno por cien. Entre los responsables destaca el satélite COBE, lanzado por NASA en 1989, cuyas observaciones del Fondo Cósmico de Microondas (FCM) le valieron el premio Nobel de física en 2006. Fueron dos, según el Comité Nobel, los resultados más influyentes de COBE:

 

  • El FCM es aproximadamente homogéneo, con una distribución de frecuencias muy similar a la de un cuerpo negro a temperatura 2.725 K. Este resultado proporciona respaldo observacional al Modelo Estándar cosmológico del Big Bang caliente.
  • El FCM presenta pequeñas in-homogeneidades en su temperatura, ¡no mayores de una parte en cien mil! Esta observación pone de manifiesto la existencia de diminutas perturbaciones en la densidad de la materia y radiación en el instante en el que se formó el FCM, cuando el universo tenía apensas 300.000 años (su edad actual es de casi 14.000.000.000 años).

Pocos años después de COBE, simulaciones con super-ordenadores mostraron que, cuando se hacen evolucionar en el tiempo, esas perturbaciones de densidad crecen por efecto de la gravedad hasta dar lugar a enromes inhomogeneidades en el universo actual, que están en total acuerdo con la distribución de galaxias, cúmulos y super-cúmulos que observamos en el presente. Resumiendo, la combinación de teoría, observación y simulaciones numéricas ponen de manifiesto que las estructuras cósmicas tiene origen en las minúsculas inhomogeneidades del FCM. Impresionante.

Pero la ambición de los cosmólogos por entender el universo no termina ahí y surge la pregunta: ¿cuál es el origen de las in-homogeneidades del FCM?, ¿hemos de aceptar que el cosmos "nació" con ellas, o podemos identificar un mecanismo que las genera en el universo primitivo? Éste es terreno para la física teórica. La idea más prometedora es la teoría de la inflación: muy temprano en la evolución, inmediatamente después del Big Bang, el universo experimentó un corto periodo en el que su expansión fue extremadamente violenta, casi exponencial.

Aunque en apariencia extraña o artificial, lo sorprendente es que esa suposición resuelve muchas preguntas importantes, más de las imaginadas por sus proponentes:

  • Una enrome expansión explica por qué el universo parece tan plano y homogéneo a gran escala en el presente: la inflación reduce la curvatura y diluye grandes in-homogeneidades.
  • La violenta expansión causada por el campo gravitatorio es capaz de amplificar las fluctuaciones cuánticas, omnipresentes, y crear un espectro de partículas desde el vacío. (Este fenómeno es el análogo gravitatorio de la creación de pares electrón-positrón por campos electromagnéticos intensos).

Lo sorprendente es que las partículas creadas inducen un espectro de perturbaciones en la densidad del universo que está en perfecto acuerdo con las in-homogeneidades que se observan en el FCM.

En mi opinión, la propuesta de que las estructuras cósmicas tienen su origen en fluctuaciones del vacío cuántico en el universo muy primitivo amplificadas por el campo gravitatorio, es una de las ideas más profundas y prometedoras de la cosmología teórica actual.

La economía en las suposiciones y la robustez en la predicciones han hecho de la Teoría inflacionaria la principal apuesta de los cosmólogos teóricos. Hasta el punto que se pretende utilizar la próxima generación de observaciones del FCM, que el satélite PLANCK de la ESA está a punto de hacer públicas, para aprender sobre física a la escala de energía a la que ocurre inflación, la cual es mucho más alta que la que se puede alcanzar en experimentos terrestres como LHC.

Sin embargo, en consonancia con sus éxitos, también son claras las limitaciones del modelo inflacionario. Una de especial relevancia es el hecho que el modelo está basado en la teoría gravitatoria de la Relatividad General de Einstein. Esta es una teoría clásica de la gravedad, y su validez queda restringida a situaciones en que la densidad de energía-momento esté bien por debajo de la escala de Planck. Esta suposición está bien justificada durante la época inflacionaria, donde la densidad de energía es menor de diez órdenes de magnitud por debajo de la densidad de Planck. Sin embargo, antes de inflación los efectos cuánticos de la gravedad se vuelven importantes y han de dominar la física. Esto provoca ciertas limitaciones del modelo inflacionario:

  • El modelo incluye la singularidad del Big Bang donde la materia y la curvatura espacio-temporal divergen.
  • Puesto que se ignora lo que ocurrió cerca del Big Bang, se han de asumir ciertas condiciones iniciales al principio de inflación. Dichas condiciones influyen en las predicciones del modelo.
  • Para ciertos valores de los parámetros, inflación involucra longitudes de onda que están por debajo de la longitud de Planck, para los que las técnicas empleadas no están justificadas.

En un reciente artículo estas dificultades se abordan desde una de las propuestas actuales de gravedad cuántica, denominada Loop Quantum Cosmology. El objetivo del artículo es completar o embeber el modelo inflacionario en una teoría más fundamental que incluya la cuantización de los grados de libertad gravitatorios. En el escenario resultante la inflación emerge de forma natural en un universo temprano en el que la singularidad del Big Bang ha desaparecido: efectos cuánticos evitan que las cantidades físicas diverjan, y reemplazan el Big Bang por un "rebote cuántico". Puesto que ahora uno dispone de la imagen del universo anterior al instante en el que comienza la fase inflacionaria, el estudio de las inhomogeneidades cósmicas se puede extender hasta el propio instante que reemplaza el Big Bang. Ello requiere de nuevas herramientas teóricas, que incluyan los efectos cuánticos de la gravedad en la teoría cuántica de campos usual: una teoría cuántica de campos en espacio-tiempos cuánticos. Con estas herramientas, el estudio de las estructuras cósmicas se extiende hasta el mismo inicio de nuestro universo, donde las fluctuaciones del campo gravitatorio y de la materia se funden para formar un espacio-tiempo cuántico. El estudio, además de completar a nivel conceptual la teoría inflacionaria, muestra que existe un pequeño rango de los parámetros de la teoría en el que las predicciones para el FCM son sensibles a la fase cuántica de nuestro universo. Esto abre la posibilidad de extender el alcance de las observaciones a la era de Planck.

Es realmente impresionante ver el avance en cosmología durante los últimos treinta años. Una sinergia de ideas y herramientas teóricas innovadoras, simulaciones numéricas y observaciones minuciosas permiten construir una imagen de la evolución de las estructuras cósmicas que abarca desde la era de Planck hasta nuestros días. La cosmología teórica ha alcanzado tal nivel de rigor y precisión que colocan al propio universo como el escenario más prometedor para poner a prueba las ideas más fundamentales. Weinberg no exageraba con su frase.


Ivan Agulló es investigador en el Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge. Además, Agulló ha sido el primer español en recibir el prestigioso premio de la Gravity Research Foundation.

Referencia: Quantum Gravity Extension of the Inflationary Scenario Phys. Rev. Lett. 109, 251301 (2012)

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