La explicación inflacionaria del problema del horizonte y las anisotropías de la radiación cósmica de fondo (2023)
La radiación cósmica de fondo (CMB) es una gran fuente de información sobre la historia de nuestro universo. En particular, llama la atención la enorme isotropía que presenta. Esta invita a pensar que las distintas regiones del universo tuvieron que estar en contacto y haber alcanzado un equilibrio. No obstante, en una cosmología sin inflación no queda claro cómo este puede ser el caso: las distintas regiones estarían desconectadas causalmente y por tanto no podrían haberse termalizado. La inflación ofrece una respuesta a este enigma denominado problema del horizonte. La idea básica es que las regiones de la radiación de fondo que ahora vemos tan apartadas estuvieron alguna vez lo suficientemente cerca como para equilibrarse. Posteriormente el universo sufrió un proceso de expansión acelerada que explica las aparentes desconexiones causales que hoy observamos. La radiación de fondo, sin embargo, presenta pequeñas anisotropías para diferentes escalas. La inflación, sorprendentemente, también logra explicar dichas anisotropías. Si postulamos que la inflación fue causada por un campo escalar denominado inflatón y lo consideramos como un campo cuántico, obtenemos fluctuaciones que dan origen a perturbaciones de curvatura en el universo. Estas perturbaciones se conservan desde épocas de la inflación hasta la denominada época de recombinación. Las perturbaciones derivan en diferencias de potencial gravitacional, que, a través de fenómenos como el efecto Sachs-Wolfe y las oscilaciones acústicas, dan cuenta de las anisotropías que observamos hoy. Este trabajo se dedica a explorar cómo la inflación es capaz de explicar las dos caras de la moneda: el carácter en gran medida isotrópico de la radiación de fondo y sus pequeñas anisotropías. La primera parte del trabajo busca dar un contexto sobre algunas de las teorías físicas en que se enmarca la inflación. Para recapitular algunos conceptos de relatividad general se introduce la notación tensorial, se trata el concepto de curvatura del espacio-tiempo y las ecuaciones de Einstein. Luego, se da un breve contexto sobre el modelo cosmológico de Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker (FLRW), que se utilizará en el resto del trabajo. La segunda parte introduce los distintos conceptos de horizonte, y muestra el problema del horizonte. Tras esto, se introduce el concepto de inflación como reducción del horizonte de Hubble comóvil y se trabajan algunos aspectos del modelo inflacionario, como la aproximación slow-roll. Finalmente, se muestra cómo la inflación es una solución al problema del horizonte. La tercera parte examina cómo se originan las anisotropías de la radiación de fondo. Al comienzo hay una serie de pasos que buscan mostrar de un modo esquemático el camino argumentativo que lleva a la gráfica de anisotropías de la radiación de fondo. Tras esto, se introducen las fluctuaciones cuánticas en épocas de la inflación. Después se introducen los conceptos de perturbaciones escalares, así como la aproximación de dos fluidos para el contenido de materia del universo en épocas de la recombinación. Usando esta aproximación, se investiga cómo las inhomogeneidades causadas por las fluctuaciones cuánticas derivan en anisotropías. Posteriormente se incluye un término de decaimiento debido principalmente a la difusión, y se unen las piezas del rompecabezas en una fórmula que permite graficar las anisotropías de la radiación de fondo. Finalmente se muestra esta gráfica, así como el código utilizado para generarla.