El universo inflacionario

Las ecuaciones de la teoría de relatividad general permiten determinar las propiedades del espacio tiempo a partir del contenido de materia y energía (y viceversa). Para aplicaciones cosmológicas, es razonable suponer que a muy grandes escalas el universo es isótropo y homogéneo, es decir, que no hay posiciones ni direcciones privilegiadas. A partir de estas hipótesis, es posible concluir que el universo se expande desaceleradamente. La desaceleración está relacionada con el carácter atractivo de la interacción gravitatoria. El ritmo de expansión está determinado por las propiedades de la materia y energía: suponiendo propiedades “razonables” las escalas se agrandan con el tiempo con una ley de potencias, es decir se multiplican por t ^α con α < 1.

La expansión puede continuar para siempre o no, dependiendo de la densidad promedio de materia y energía (si este promedio está por encima de un cierto valor crítico, la expansión terminará y comenzará una etapa de contracción). Es interesante remarcar que la densidad crítica también determina la geometría espacial: si la densidad del universo es mayor que la crítica, de acuerdo a la relatividad general el universo debe ser finito (haciendo una analogía bidimensional, podemos pensarlo como una superficie esférica en expansión, que se contraerá en el futuro). En cambio, si la densidad fuese igual a la crítica, el universo sería como un plano en expansión. Finalmente, si la densidad fuese menor a la crítica, el universo sería como un hiperboloide que se expande. Las observaciones actuales indican que el universo es plano, es decir, la densidad promedio es similar a la densidad crítica.

Posibles geometrías del universo de acuerdo al valor del cociente actual entre la densidad y la densidad crítica, denotado por Ω₀

Sin embargo, un análisis más detallado muestra que el modelo de la gran explosión tiene algunos problemas teóricos. Cuando uno mira regiones del cielo separadas por unos pocos grados, las propiedades a gran escala son las mismas. Sin embargo, se puede demostrar que si el universo se expandió desaceleradamente durante toda su historia desde el big bang, esas regiones del espacio no tuvieron tiempo de estar en contacto causal, es decir, ni siquiera la luz tuvo tiempo de viajar desde una hacia otra.

¿Cómo puede ser homogéneo el universo si contiene un número enorme de regiones causalmente desconectadas entre sí?
En general los sistemas se homogeinizan al estar en contacto

Este es el llamado problema del horizonte. Una posibilidad es suponer que, por casualidad, las condiciones iniciales fueron homogéneas. Pero esta no es una explicación científica. Tal explicación debería proveer un mecanismo por el cual partes inicialmente no homogéneas se vuelven homogéneas al entrar en contacto.

Otro de los inconvenientes teóricos es el denominado problema de la chatura (flatness). Por observaciones indirectas sabemos que actualmente la densidad del universo es bastante similar a la densidad crítica (es decir, vivimos en un universo espacialmente plano que se expande). Ambas, densidad y densidad crítica, son funciones del tiempo debido a la expansión. En un universo desacelerado, para que hoy sean similares deben haberlo sido en el pasado con creciente precisión (una parte en 10⁶⁰ cerca del big bang).
Nuevamente, uno puede suponer que esto fue así, pero sería mucho más natural que exista algún mecanismo físico por el cual la densidad del universo se acerca a la densidad crítica.

En el año 1981, Alan Guth propuso una solución para estos y otros problemas similares: en etapas muy tempranas, el universo debe haber tenido un período de expansión acelerada. A este período se lo denomina “inflacionario”. Si este período duró lo suficiente, todo nuestro universo observable proviene de una pequeña región (en contacto causal) que se expandió velozmente. Además puede demostrarse que la expansión acelerada lleva al universo a una situación en que la densidad se aproxima a la crítica, de manera bastante independiente de las condiciones iniciales.

Una expansión acelerada implica que la gravedad debe ser repulsiva.