Começa Com Um Estrondo

A maior dúvida sobre o início do Universo

Crédito da imagem: C. Faucher-Giguère, A. Lidz e L. Hernquist, Science 319, 5859 (47).

De onde veio é bem alto lá em cima!

O espaço é certamente algo mais complicado do que a pessoa comum provavelmente perceberia. O espaço não é apenas um fundo vazio no qual as coisas acontecem. – Alan Guth

Nosso Universo está se expandindo, ficando menos denso e esfriando hoje, nos ensinando que era mais quente e mais denso no passado distante. Se extrapolarmos para trás no tempo, podemos chegar a épocas em que:

a gravitação ainda não teve tempo de colapsar a matéria em aglomerados, galáxias ou mesmo estrelas,
a temperatura do Universo era muito quente para formar átomos neutros, ionizando-os imediatamente,
as partículas eram tão energéticas que até mesmo os núcleos atômicos eram instáveis, sendo imediatamente divididos em prótons e nêutrons individuais,
e até onde a densidade de energia era tão alta que pares de matéria/antimatéria foram criados espontaneamente a partir de energia pura.

Você pode pensar que poderíamos voltar ainda mais longe, até o próprio nascimento do espaço e do tempo. Essa foi, de fato, a ideia original do Big Bang, mas graças a algumas observações espetaculares, sabemos que não foi bem assim que nosso Universo começou.

Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.

Acima está a primeira foto de bebê conhecida do nosso Universo. Quando o Universo finalmente esfriou o suficiente para formar átomos neutros de forma estável, toda a radiação dos primeiros tempos poderia viajar repentinamente pelo espaço, em linha reta, sem ser absorvida, reemitida ou espalhada por uma partícula livre e carregada. Essa radiação então teve seu comprimento de onda esticado pela expansão do Universo, onde agora pode ser encontrada em frequências de micro-ondas: o Fundo Cósmico de Microondas (CMB), ou o brilho remanescente do Big Bang. Quando observamos as flutuações nele – ou as pequenas imperfeições de uma temperatura perfeitamente uniforme em vários locais do céu – podemos usar o que sabemos sobre física e astrofísica para nos ensinar várias coisas muito importantes.

Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.

Uma das coisas que podemos aprender é que nosso Universo é composto de cerca de 5% de matéria normal (atômica), 27% de matéria escura e 68% de energia escura. Mas não menos importante é isso: aprendemos que essas imperfeições eram inicialmente as mesmas em todas as escalas e são de magnitude tão pequena que o Universo não podia atingiram uma temperatura arbitrariamente alta no passado distante. Em vez disso, deve ter havido uma fase antes que o Universo fosse quente, denso e cheio de matéria e radiação que configurou tudo. Originalmente concebida por Alan Guth em 1979, esta fase - hoje conhecida como inflação cósmica - resolve uma série de grandes problemas com o Universo: esticá-lo, dando-lhe a mesma temperatura em todos os lugares, eliminando relíquias e defeitos de alta energia (como monopolos magnéticos) do Universo, e fornecendo um mecanismo para gerar essas flutuações tão necessárias.

Crédito da imagem: National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, relacionado) — Programa BICEP2 financiado; modificações por E. Siegel.

As flutuações são notáveis em particular, porque dois tipos distintos delas – flutuações de densidade (escalares) e flutuações de ondas gravitacionais (tensores) – foram ambas previstas pela inflação antes que a evidência para qualquer uma delas existisse. A partir de hoje, não apenas observamos diretamente os escalares e temos limites estritos sobre os tensoriais, mas medimos qual era o espectro dessas flutuações iniciais, o que nos diz algo sobre os vários tipos de inflação que poderiam ter ocorrido ocorreu. Em geral, você pode visualizar a inflação como uma bola rolando por qualquer tipo de colina que você possa imaginar, em um vale.

Crédito da imagem: E. Siegel, de três potenciais de colinas e vales que poderiam descrever a inflação cósmica. Criado com a ferramenta de gráficos do Google.

Para ter inflação suficiente para reproduzir o Universo que vemos, precisamos que a bola role devagar o suficiente descer aquela colina para que o Universo possa ser esticado, ter a mesma temperatura em todos os lugares e ter essas flutuações quânticas (que criam as flutuações de densidade) esticadas por todo o Universo. Para determinar qual modelo de inflação é o que nosso Universo tem – em outras palavras, qual é a forma dessa colina – há duas coisas que nos ajudam:

As flutuações podem ser mais importantes em escalas pequenas ou grandes e, medindo todo o espectro delas, podemos saber qual era a inclinação daquela colina quando a inflação chegou ao fim.
Se pudermos medir as flutuações das ondas gravitacionais e compará-las com as flutuações de densidade, podemos reconstruir como a inclinação estava mudando quando a inflação terminou.

Em outras palavras, podemos criar qualquer modelo de inflação que quisermos, mas apenas alguns deles nos fornecerão os valores certos - que correspondem ao nosso Universo - para esses dois tipos diferentes de flutuações.

Vários modelos de inflação e o que eles prevêem para as flutuações escalares (eixo x) e tensorial (eixo y) da inflação. Crédito da imagem: Planck Colaboração: P. A. R. Ade et al., 2013, A&A preprint, com anotações adicionais de E. Siegel.

Graças à espaçonave Planck, agora temos restrições muito rígidas sobre as flutuações de densidade, desfavorecendo muitos dos modelos mais simples. À medida que dados superiores (polarização) de projetos como Planck, BICEP, POLARBEAR e outros continuam a chegar, esperamos que detectemos as assinaturas de ondas gravitacionais ou estabeleçamos limites mais fortes do que nunca. As pessoas argumentam há muito tempo que a inflação cósmica tem muitas soluções, mas quanto melhor conseguimos fazer essas medições, mais esperança temos de que o número de soluções acabará sendo reduzido a uma única.

Crédito da imagem: E. Siegel, com imagens derivadas da ESA/Planck e da força-tarefa interagências DoE/NASA/NSF em pesquisa CMB. De seu livro, Além da Galáxia.

O Universo tem uma grande história para nos contar sobre sua origem, até os limites do que podemos medir. Quanto melhor conseguirmos realmente fazer essas medições, melhor poderemos entender como tudo começou. A inflação cósmica é quase definitivamente a resposta ao que aconteceu antes do Big Bang. Mas como era a inflação cósmica? Estamos mais perto do que nunca de realmente encontrar a resposta.

Esta postagem apareceu pela primeira vez na Forbes . Deixe seus comentários em nosso fórum , confira nosso primeiro livro: Além da Galáxia , e apoie nossa campanha no Patreon !