Começa Com Um Estrondo

Pergunte a Ethan: Até que ponto a inflação cósmica foi verificada?

As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e, quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em grande escala do Universo hoje, bem como às flutuações de temperatura observadas na CMB. Essas novas previsões são essenciais para demonstrar a validade de um mecanismo de ajuste fino. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA/PLANCK E DA FORÇA-TAREFA INTERAGÊNCIA DO DOE/NASA/NSF NA PESQUISA CMB)

Alguns afirmam que a inflação não é ciência, mas com certeza fez algumas previsões científicas incrivelmente bem-sucedidas.

Então, você quer saber como o Universo começou? Você não está sozinho. Todos os outros membros curiosos da humanidade, desde que a história registrada existe (e provavelmente por muito mais tempo), se perguntou exatamente sobre essa questão, de onde vem tudo isso? No século 20, a ciência avançou ao ponto em que um grande conjunto de evidências apontava para uma resposta singular: o Big Bang quente.

No entanto, surgiram vários quebra-cabeças que o Big Bang não conseguiu resolver, e um complemento teórico do Big Bang foi proposto como a solução cósmica final: a inflação. Este dezembro marcará 40 anos desde que a inflação foi proposta por Alan Guth, e Paul Erlich quer saber como a inflação resistiu ao teste do tempo, perguntando:

Com que margem de erro ou com que nível de significância estatística você diria que a inflação foi verificada?

A resposta curta é melhor do que a maioria das pessoas pensa. A resposta longa é ainda mais convincente.

A relação redshift-distância para galáxias distantes. Os pontos que não caem exatamente na linha devem o pequeno descompasso às diferenças nas velocidades peculiares, que oferecem apenas pequenos desvios da expansão geral observada. Os dados originais de Edwin Hubble, usados pela primeira vez para mostrar que o Universo estava se expandindo, todos cabem na pequena caixa vermelha no canto inferior esquerdo. (ROBERT KIRSHNER, PNAS, 101, 1, 8–13 (2004))

O Big Bang é uma teoria incrivelmente bem-sucedida. Começou a partir de apenas dois pontos de partida simples e fez uma extrapolação a partir daí. Primeiro, insistiu que o Universo fosse consistente com a Relatividade Geral, e essa é a teoria da gravidade que devemos usar como nossa estrutura para construir qualquer modelo realista do Universo. Em segundo lugar, exigiu que levássemos a sério as observações astronômicas de que as galáxias, em média, parecem estar se afastando de nós com velocidades que são diretamente proporcionais à sua distância de nós.

A maneira mais simples de proceder é deixar que os dados o guiem. No contexto da Relatividade Geral, se você permitir que o Universo seja preenchido uniformemente (ou aproximadamente uniformemente) com matéria, radiação ou outras formas de energia, ele não permanecerá estático, mas deverá expandir ou contrair. A relação redshift-distância observada pode ser explicada diretamente se o tecido do próprio espaço estiver se expandindo com o passar do tempo.

A analogia balão/moeda do Universo em expansão. As estruturas individuais (moedas) não se expandem, mas as distâncias entre elas sim em um Universo em expansão. Isso pode ser muito confuso se você insistir em atribuir o movimento aparente dos objetos que vemos às suas velocidades relativas através do espaço. Na realidade, é o espaço entre eles que está se expandindo. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Se esta é a imagem do Universo que você montou, pode trazer algumas consequências enormes para o passeio. À medida que o Universo se expande, o número total de partículas dentro dele permanece o mesmo, mas o volume aumenta. Como resultado, ele fica menos denso. A gravidade puxa as coisas para aglomerados de escala progressivamente maior com o passar do tempo. E a radiação – cuja energia é definida por seu comprimento de onda – vê seu comprimento de onda se estender à medida que o Universo se expande; portanto, torna-se mais frio em temperatura e mais baixo em energia.

A grande ideia do Big Bang é extrapolar essa ideia para trás no tempo, para energias mais altas, temperaturas mais altas, densidades maiores e um estado mais uniforme.

Após o Big Bang, o Universo estava quase perfeitamente uniforme e cheio de matéria, energia e radiação em um estado de rápida expansão. A evolução do Universo em todos os momentos é determinada pela densidade de energia do que está dentro dele. Se está se expandindo e esfriando hoje, no entanto, deve ter sido mais denso e quente no passado distante. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Isso levou a três novas previsões, além do Universo em expansão (que já havia sido observado). Eles foram os seguintes:

Os tempos mais antigos, mais quentes e mais densos devem permitir um período de fusão nuclear desde o início, prevendo um conjunto específico de razões de abundância para os elementos e isótopos mais leves, mesmo antes da formação das primeiras estrelas.
À medida que o Universo esfria ainda mais, ele deve formar átomos neutros pela primeira vez, com a radiação restante daqueles primeiros tempos viajando sem impedimentos e continuando a redshift até o presente, onde deveria estar apenas alguns graus acima do zero absoluto.
E, finalmente, quaisquer imperfeições de densidade inicial que estejam presentes devem crescer em uma vasta teia cósmica de estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e vazios cósmicos separando-os ao longo dos bilhões de anos que se passaram desde esses estágios iniciais.

Todas as três previsões foram verificadas, e é por isso que o Big Bang está sozinho entre as teorias sobre as origens do Universo.

Uma história visual do Universo em expansão inclui o estado quente e denso conhecido como Big Bang e o crescimento e formação da estrutura subsequente. O conjunto completo de dados, incluindo as observações dos elementos de luz e do fundo cósmico de micro-ondas, deixa apenas o Big Bang como uma explicação válida para tudo o que vemos. À medida que o Universo se expande, ele também esfria, permitindo a formação de íons, átomos neutros e, eventualmente, moléculas, nuvens de gás, estrelas e, finalmente, galáxias. (NASA / CXC / M. WEISS)

Mas isso não significa que o Big Bang explica tudo. Se você extrapolar todo o caminho de volta para temperaturas e densidades arbitrariamente altas – todo o caminho de volta para uma singularidade – você acaba com uma série de previsões que não se concretizam na realidade.

Não vemos um Universo com temperaturas diferentes em direções diferentes. Mas deveríamos, já que uma região do espaço dezenas de bilhões de anos-luz à sua esquerda e outra dezenas de bilhões de anos-luz à sua direita nunca deveria ter tido tempo de trocar informações desde o Big Bang.

Não vemos um Universo com partículas remanescentes que são relíquias de algum tempo arbitrariamente quente, como os monopolos magnéticos, apesar de terem sido produzidos em grande abundância.

E não vemos um Universo com nenhum grau mensurável de curvatura espacial, apesar do Big Bang não ter mecanismo para equilibrar exatamente a densidade de energia e a curvatura espacial desde um tempo extremamente antigo.

Se o Universo tivesse apenas uma densidade um pouco maior (vermelho), já teria colapsado novamente; se tivesse apenas uma densidade um pouco menor, teria se expandido muito mais rápido e se tornado muito maior. O Big Bang, por si só, não oferece nenhuma explicação sobre por que a taxa de expansão inicial no momento do nascimento do Universo equilibra a densidade total de energia tão perfeitamente, não deixando espaço para a curvatura espacial. Nosso Universo parece perfeitamente plano espacialmente. (TUTORIAL DE COSMOLOGIA DE NED WRIGHT)

O Big Bang, por si só, não oferece solução para esses quebra-cabeças. É bem-sucedido se extrapolarmos de volta para um estado inicial quente, denso e quase perfeitamente uniforme, mas não explica mais do que isso. Ir além dessas limitações requer uma nova ideia científica que substitua o Big Bang.

Mas substituir o Big Bang não é nada fácil. Para fazer isso, uma nova teoria teria que fazer todos os três itens a seguir:

Reproduza todos os sucessos do Big Bang, incluindo a criação de um Universo em expansão, quente, denso e quase perfeitamente uniforme.
Forneça um mecanismo para explicar esses três quebra-cabeças – a uniformidade da temperatura, a falta de relíquias de alta energia e o problema da planicidade – para os quais o Big Bang não tem solução.
Finalmente, e talvez o mais importante, deve fazer novas previsões testáveis que sejam diferentes do Big Bang padrão que está tentando substituir.

A ideia de inflação, e a esperança de que isso pudesse acontecer, começou no final de 1979, quando Alan Guth anotou a ideia em seu caderno.

Foi a consideração de vários cenários bem ajustados que levaram Alan Guth a conceber a inflação cósmica, a principal teoria da origem do Universo. (CADERNO DE 1979 DE ALAN GUTH)

O que a inflação especificamente levantou a hipótese é que o Big Bang não foi o começo, mas foi criado por um estágio anterior do Universo. Nesse estado inicial – apelidado de estado inflacionário por Guth – a forma dominante de energia não estava na matéria ou na radiação, mas era inerente ao próprio tecido do espaço e possuía uma densidade de energia muito grande.

Isso faria com que o Universo se expandisse rápida e implacavelmente, separando qualquer matéria pré-existente. O Universo seria esticado tão grande que seria indistinguível de plano. Todas as partes que um observador (como nós) poderia acessar teriam agora as mesmas propriedades uniformes em todos os lugares, uma vez que se originaram de um estado previamente conectado no passado. E como haveria uma temperatura máxima que o Universo atingiria quando a inflação terminasse, e a energia inerente ao espaço se transformasse em matéria, antimatéria e radiação, poderíamos evitar a produção de sobras de relíquias de alta energia.

No painel superior, nosso Universo moderno tem as mesmas propriedades (incluindo temperatura) em todos os lugares porque eles se originaram de uma região que possui as mesmas propriedades. No painel do meio, o espaço que poderia ter qualquer curvatura arbitrária é inflado até o ponto em que não podemos observar nenhuma curvatura hoje, resolvendo o problema da planicidade. E no painel inferior, as relíquias de alta energia pré-existentes são infladas, fornecendo uma solução para o problema das relíquias de alta energia. É assim que a inflação resolve os três grandes quebra-cabeças que o Big Bang não consegue explicar sozinho. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

De uma só vez, todos os três quebra-cabeças que o Big Bang não conseguiu explicar foram resolvidos. Este foi realmente um momento decisivo para a cosmologia e imediatamente levou a um dilúvio de cientistas trabalhando para corrigir o modelo original de Guth para reproduzir todos os sucessos do Big Bang. A ideia de Guth foi publicada em 1981 e, em 1982, duas equipes independentes – Andrei Linde e a dupla de Paul Steinhardt e Andy Albrecht – fizeram isso.

A chave era imaginar a inflação como uma bola rolando lentamente no topo de uma colina. Enquanto a bola permanecesse no topo do platô, a inflação continuaria a esticar o tecido do espaço. Mas quando a bola rola morro abaixo, a inflação chega ao fim. À medida que a bola rola no vale abaixo, a energia inerente ao espaço é transferida para matéria, antimatéria e radiação, levando a um Big Bang quente, mas com temperatura e energia finitas.

Quando ocorre a inflação cósmica, a energia inerente ao espaço é grande, pois está no topo desta colina. À medida que a bola rola para o vale, essa energia se converte em partículas. Isso fornece um mecanismo não apenas para configurar o Big Bang quente, mas também para resolver os problemas associados a ele e fazer novas previsões. . (E. SIEGEL)

Por fim, não só tivemos uma solução para todos os problemas que o Big Bang não conseguiu resolver, como também conseguimos reproduzir todos os seus sucessos. A chave, então, seria fazer novas previsões que pudessem ser testadas.

A década de 1980 foi cheia de tais previsões. A maioria deles era muito geral, ocorrendo em praticamente todos os modelos viáveis de inflação que se poderia construir. Em particular, percebemos que a inflação tinha que ser um campo quântico e que quando você tem essa expansão rápida e exponencial ocorrendo com uma energia extremamente alta inerente ao próprio espaço, esses efeitos quânticos podem ter impactos que se traduzem em escalas cosmológicas.

As flutuações na radiação cósmica de fundo em micro-ondas, medidas pelo COBE (em grandes escalas), WMAP (em escalas intermediárias) e Planck (em pequenas escalas), são todas consistentes não apenas com o surgimento de um conjunto invariante de escala de flutuações quânticas, mas de serem tão baixas em magnitude que não poderiam ter surgido de um estado arbitrariamente quente e denso. A linha horizontal representa o espectro inicial de flutuações (da inflação), enquanto a linha ondulada representa como a gravidade e as interações radiação/matéria moldaram o Universo em expansão nos estágios iniciais. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Em resumo, as seis previsões mais genéricas foram:

Deve haver um limite superior para a temperatura máxima que o Universo atinge após a inflação; ele não pode se aproximar da escala de Planck de ~10¹⁹ GeV.
Flutuações do super-horizonte, ou flutuações em escalas maiores do que a luz poderia ter atravessado desde o Big Bang, deveriam existir.
As flutuações quânticas durante a inflação devem produzir as sementes das flutuações de densidade, e elas devem ser 100% adiabáticas e 0% de isocurvatura. (Onde adiabático e isocurvatura são as duas classes permitidas.)
Essas flutuações devem ser quase perfeitamente invariantes em escala, mas devem ter magnitudes ligeiramente maiores em escalas maiores do que em escalas menores.
O Universo deve ser quase, mas não exatamente, perfeitamente plano, com efeitos quânticos produzindo curvatura apenas no nível de 0,01% ou abaixo.
E o Universo deve ser preenchido com ondas gravitacionais primordiais, que devem ser impressas no fundo cósmico de micro-ondas como modos B.

As magnitudes dos pontos quentes e frios, bem como suas escalas, indicam a curvatura do Universo. Para o melhor de nossas capacidades, medimos para ser perfeitamente plano. As oscilações acústicas bariônicas e o CMB, juntos, fornecem os melhores métodos para restringir isso, até uma precisão combinada de 0,4%. (GRUPO DE COSMOLOGIA SMOOT / LBL)

Agora é 2019, e as primeiras quatro previsões foram confirmadas por observação. O quinto foi testado até o nível de ~0,4% e é consistente com a inflação, mas não atingimos o nível crítico. Apenas o sexto ponto não foi testado, com uma famosa detecção de falso-positivo aparecendo no início desta década devido à colaboração do BICEP2.

A temperatura máxima foi verificada, olhando para a radiação cósmica de fundo, como sendo não superior a cerca de 10¹⁶ GeV.

As flutuações do super-horizonte foram vistas a partir dos dados de polarização fornecidos pelo WMAP e pelo Planck e estão em perfeito acordo com o que a inflação prevê.

Os dados mais recentes da formação da estrutura indicam que essas flutuações iniciais de sementes são pelo menos 98,7% adiabáticas e não mais que 1,3% de isocurvatura, consistente com as previsões da inflação.

Mas o melhor teste – e o que eu chamaria de confirmação mais significativa da inflação – veio da medição do espectro das flutuações iniciais.

Correlações entre certos aspectos da magnitude das flutuações de temperatura (eixo y) em função da escala angular decrescente (eixo x) mostram um Universo que é consistente com um índice espectral escalar de 0,96 ou 0,97, mas não 0,99 ou 1,00. (P.A.R. ADE ET AL. E A COLABORAÇÃO PLANCK)

A inflação é muito particular quando se trata de que tipo de estrutura deve se formar em diferentes escalas. Temos uma quantidade que usamos para descrever quanta estrutura se forma em grandes escalas cósmicas versus escalas menores: n_s. Se você formasse a mesma quantidade de estrutura em todas as escalas, n_s seria igual a 1 exatamente, sem variações.

O que a inflação prevê genericamente, no entanto, é que teremos um ns que é quase, mas um pouco menor que 1. O valor pelo qual nos afastamos de 1 é determinado pelo modelo inflacionário específico. Quando a inflação foi proposta pela primeira vez, a suposição padrão era que n_s seria exatamente igual a 1. Não seria até a década de 2000 que nos tornamos capazes de testar isso, através das flutuações na radiação cósmica de fundo e da assinatura da acústica bariônica oscilações.

A partir de hoje, n_s é aproximadamente 0,965 ou mais, com uma incerteza de cerca de 0,008. Isso significa que há uma certeza de 4 a 5 sigma de que n_s é realmente menor que 1, uma notável confirmação da inflação.

Toda a nossa história cósmica é teoricamente bem compreendida, mas apenas qualitativamente. É confirmando e revelando observacionalmente vários estágios no passado do nosso Universo que devem ter ocorrido, como quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram e como o Universo se expandiu ao longo do tempo, que podemos realmente entender nosso cosmos. As assinaturas de relíquias impressas em nosso Universo de um estado inflacionário antes do Big Bang quente nos dão uma maneira única de testar nossa história cósmica. (NICOLE RAGER FULLER / FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS)

O Big Bang tornou-se nossa teoria do Universo quando o brilho remanescente foi descoberto na forma de micro-ondas cósmicas de fundo. Já em 1965, a evidência crítica havia chegado, permitindo que o Big Bang tivesse sucesso onde seus concorrentes falharam. Ao longo dos anos e décadas subsequentes, as medições do espectro cósmico de fundo em micro-ondas, a abundância dos elementos leves e a formação da estrutura apenas fortaleceram o Big Bang. Embora as alternativas persistam, elas não resistem ao escrutínio científico que o Big Bang faz.

A inflação atingiu literalmente todos os limites exigidos pela ciência, com novos testes inteligentes se tornando possíveis com observações e instrumentação aprimoradas. Sempre que os dados puderam ser coletados, as previsões de inflação foram verificadas. Embora talvez seja mais palatável e na moda ser do contra, a inflação é a principal teoria pela melhor razão de todas: ela funciona. Se alguma vez fizermos uma observação crítica que discorde da inflação, talvez isso seja o prenúncio de uma teoria ainda mais revolucionária de como tudo começou.

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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .