• Começa Com Um Estrondo

Explorando o universo que não existia

Uma ilustração de universos múltiplos e independentes, causalmente desconectados um do outro em um oceano cósmico em constante expansão, é uma representação da ideia do Multiverso. Outros Universos com propriedades diferentes das nossas podem ou não existir, mas se certas propriedades fossem um pouco diferentes, nossa existência não seria admissível. (OZITIVO / DOMÍNIO PÚBLICO)

Como pequenas diferenças poderiam ter mudado para sempre nossa história cósmica.

13,8 bilhões de anos atrás, o que conhecemos hoje como nosso Universo começou com o Big Bang quente. Preenchido com matéria, antimatéria e radiação de forma quase uniforme, ele se expandiu e gravitava em equilíbrio quase perfeito. À medida que o Universo esfriava, a matéria e a antimatéria se aniquilavam, deixando uma pequena, minúscula, mas significativa, quantidade de matéria para trás. Após 9,2 bilhões de anos, o que se tornaria nosso Sistema Solar gradualmente começou a se formar a partir de uma nuvem de gás molecular em colapso e, após outros 4,55 bilhões de anos, a humanidade surgiu pela primeira vez no planeta Terra.

Quando olhamos para o Universo da nossa perspectiva aqui e agora, obtemos apenas um instantâneo da existência, definida pelas propriedades da luz, partículas e ondas gravitacionais que observamos no momento de sua chegada. Com base em tudo o que vimos, combinado com nossas teorias, estruturas e modelos que refletem a fusão dessas observações com as leis subjacentes da física, passamos a entender o cosmos ao nosso redor. Mas se as coisas tivessem sido apenas um pouquinho diferentes, nosso Universo teria sido dramaticamente diferente. Aqui estão cinco coisas que poderiam ter acontecido para mudar o curso de nossa história cósmica compartilhada.

Nosso Universo, desde o quente Big Bang até os dias atuais, passou por um enorme crescimento e evolução, e continua a fazê-lo. Todo o nosso Universo observável era aproximadamente do tamanho de uma bola de futebol há cerca de 13,8 bilhões de anos, mas se expandiu para um raio de ~46 bilhões de anos-luz hoje. A estrutura complexa que surgiu deve ter crescido a partir de imperfeições da semente desde o início. (NASA/CXC/M.WEISS)

1.) E se o Universo fosse realmente perfeitamente uniforme quando nasceu? Este não é algo muito apreciado: o Universo, como o conhecemos, não poderia ter nascido perfeitamente liso. Se tivéssemos possuído uma quantidade exatamente igual de matéria-antimatéria-e-radiação em todos os lugares, em todos os locais do espaço, desde os primeiros momentos do Big Bang quente, cada ponto do Universo experimentaria uma igual força gravitacional puxando-o em todas as direções. Em outras palavras, a ideia de crescimento gravitacional e colapso depende de uma imperfeição inicial para crescer. Sem a semente, você não pode obter o resultado final desejado, como uma estrela, galáxia ou algo ainda maior.

A única esperança que teríamos se originaria da natureza quântica do Universo. Porque temos processos quânticos que não podem ser evitados:

• incertezas inerentes nas posições e momentos das partículas,
• incertezas inerentes entre a energia em um sistema e a quantidade de tempo que passa,
• e regras de exclusão que impedem que certas partículas ocupem estados quânticos idênticos,

alguma quantidade de imperfeições surgirá automaticamente, mesmo que não houvesse nenhuma inicialmente.

À medida que nossos satélites melhoraram suas capacidades, eles sondaram escalas menores, mais bandas de frequência e diferenças de temperatura menores no fundo cósmico de micro-ondas. As imperfeições de temperatura fornecem as sementes da formação da estrutura; sem eles, as únicas imperfeições surgiriam dos efeitos quânticos e seriam ~1⁰³⁰ vezes mais fracas. (NASA/ESA E AS EQUIPES COBE, WMAP E PLANCK; RESULTADOS PLANCK 2018. VI. PARÂMETROS COSMOLÓGICOS; COLABORAÇÃO PLANCK (2018))

A partir desses processos quânticos, você esperaria que as imperfeições iniciais surgissem em torno do nível de 1 parte em 10³⁵, que é extremamente pequeno. Para comparação, conforme informado por observações, nosso Universo nasceu com imperfeições que surgem no nível de 1 parte em 30.000. Embora isso também seja pequeno, é absolutamente enorme em comparação com as pequenas flutuações quânticas que existem hoje: mais de 30 ordens de magnitude maiores.

Com base na maneira como as imperfeições crescem no Universo, levou cerca de 100 milhões de anos para a maior das flutuações iniciais com as quais o Universo começou para formar as primeiras estrelas. Se o Universo nascesse com flutuações de 1 parte em 10.000.000, muito provavelmente estaríamos formando as primeiras estrelas agora; o crescimento gravitacional leva muito tempo, a menos que você comece com uma semente substancialmente grande. Se nosso Universo nascesse exatamente, perfeitamente uniforme, não haveria estrutura, nem estrelas, e nenhuma reação química interessante para falar em qualquer lugar do cosmos.

Há um grande conjunto de evidências científicas que apoiam a expansão do Universo e o Big Bang. A cada momento ao longo de nossa história cósmica nos primeiros ~6 bilhões de anos, a taxa de expansão e a densidade total de energia se equilibram com precisão, permitindo que nosso Universo persista e forme estruturas complexas. Esse equilíbrio foi essencial. (NASA/GSFC)

2.) E se a taxa de expansão e os efeitos da gravitação fossem menos perfeitamente equilibrados? Este é um pouco complicado. Normalmente pensamos no Universo como um lugar bastante estável, mas isso é apenas porque há duas coisas que estão tão bem equilibradas por tanto tempo: a taxa na qual o Universo se expande e os efeitos de desaceleração de toda a matéria e radiação no planeta. Universo. Hoje, esses dois efeitos não combinam, e é por isso que dizemos que a expansão do Universo está se acelerando.

Mas para os primeiros ~6 bilhões de anos da história do Universo, eles não apenas combinavam, eles combinavam tão perfeitamente que o que conhecemos como energia escura teria sido completamente indetectável, mesmo se uma civilização alienígena em potencial desenvolvesse as ferramentas exatas que nós usar hoje para medir o Universo. Quanto mais você retrocede no tempo, menos importante a energia escura se torna em relação à matéria e à radiação. E podemos voltar não apenas bilhões de anos, mas até a primeira minúscula fração de segundo após o Big Bang quente.

Se o Universo tivesse apenas uma densidade de matéria ligeiramente maior (vermelho), ele estaria fechado e já teria colapsado; se tivesse apenas uma densidade um pouco menor (e curvatura negativa), 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 curvatura espacial e um Universo perfeitamente plano. Nosso Universo parece perfeitamente plano espacialmente, com a densidade de energia total inicial e a taxa de expansão inicial se equilibrando em pelo menos mais de 20 dígitos significativos. (TUTORIAL DE COSMOLOGIA DE NED WRIGHT)

Aqui, podemos encontrar toda a matéria e energia que temos no Universo hoje comprimidas em uma região muito, muito menor do espaço. Naquela época, o Universo não era apenas mais quente e denso, mas se expandiu muito, muito mais rapidamente do que está se expandindo hoje. Na verdade, uma maneira de imaginar o Universo em expansão é tratá-lo como uma corrida: entre a taxa de expansão inicial – qualquer que seja a taxa quando o Big Bang quente ocorreu pela primeira vez – e os efeitos totais de toda a matéria, antimatéria, neutrinos, radiação , etc., que estão presentes.

O que é notável é quando consideramos o quão perfeitamente equilibradas essas duas quantidades devem ter sido. Hoje, o Universo tem uma densidade de cerca de 1 próton por metro cúbico de espaço. Mas no início, tinha uma densidade que era mais como quintilhões de quilogramas por centímetro cúbico de espaço. Se você tivesse aumentado ou diminuído essa densidade em apenas 0,00000000001%, o Universo teria:

• recaiu sobre si mesmo, terminando em um Big Crunch após menos de 1 segundo, no caso de um aumento,
• ou expandido tão rapidamente que nenhum próton e elétron jamais teriam encontrado um ao outro para formar um único átomo no Universo, no caso de uma diminuição.

Esse equilíbrio incrível, juntamente com a necessidade disso, destaca o quão precária é nossa existência neste Universo.

Quarks e elétrons vêm em números ligeiramente maiores do que antiquarks e pósitrons. Em um Universo completamente simétrico, matéria e antimatéria se aniquilam deixando vestígios e quantidades iguais de ambas. Mas em nosso Universo, a matéria domina, indicando uma assimetria inicial e fundamental. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

3.) E se houvesse quantidades exatamente iguais de matéria e antimatéria? Este é outro problemático para nós e, de fato, é um dos maiores problemas não resolvidos em toda a física: por que vivemos em um universo com mais matéria do que antimatéria? Este quebra-cabeça tem muitas soluções possíveis, mas nenhuma resposta definitiva. O que podemos dizer, com certeza, é que:

• nos estágios iniciais do Big Bang quente, o Universo deveria ter sido perfeitamente simétrico entre matéria e antimatéria,
• e que, de alguma forma, ocorreu algum processo que resultou na existência de aproximadamente 1.000.000.001 partículas de matéria para cada 1.000.000.000 de partículas de antimatéria,
• e quando o excesso foi aniquilado, ficamos com aquele pedacinho de matéria em meio a um banho de radiação restante.

Essa radiação ainda sobrevive, assim como a matéria, e é por isso que podemos reconstruir o que aconteceu nos primeiros tempos.

Como o Universo teria evoluído se não houvesse uma assimetria matéria-antimatéria. Em vez de partículas e antipartículas se aniquilarem de modo que apenas um pequeno número de partículas restasse, um Universo simétrico aniquilaria tudo bilhões de vezes com mais eficiência, até que apenas um número esparso de partículas e antipartículas permanecesse. (E. SIEGEL)

Ainda não sabemos como isso aconteceu, mas sabemos como seria nosso Universo se não gerássemos uma assimetria matéria-antimatéria: a matéria e a antimatéria teriam se aniquilado, não completamente, mas até que houvesse restava pouca matéria e antimatéria que as partículas individuais que sobravam — prótons e antiprótons, elétrons e pósitrons, etc. — simplesmente não se encontravam mais.

O Universo de hoje, você deve se lembrar, tem cerca de 1 próton por metro cúbico de espaço: se você espalhar todo o Universo e desenhar uma caixa de 1 metro × 1 metro × 1 metro, você esperaria encontrar cerca de 1 próton lado de dentro. Quando você trabalha a matemática para o que acontece se a matéria e a antimatéria forem aniquiladas de um estado perfeitamente simétrico, você encontrará um Universo muito diferente. A radiação continuaria espalhando essas partículas por dezenas de milhões de anos, em vez de apenas algumas centenas de milhares, e a densidade média de todas as formas de matéria e antimatéria seria o equivalente a apenas ~ 1 próton (ou antipróton) por milha cúbica: uma caixa que era 1 milha × 1 milha × 1 milha, ou cerca de 10 bilhões de vezes menos densa do que o Universo que temos hoje.

Se nosso Universo não tivesse criado uma assimetria matéria-antimatéria desde o início, nenhum dos passos notáveis ​​que vieram depois para levar à nossa existência poderia ter ocorrido.

Em três bandas de comprimento de onda diferentes, a estrutura das estrelas na galáxia NGC 1052-DF4 pode ser vista sendo alongada ao longo da linha de visão em direção à grande galáxia NGC 1035. esta cola para se manter unida. (M. MONTES ET AL., APJ, 2020, ACEITO)

4.) E se não houvesse matéria escura? Esta é uma consideração fascinante que geralmente é muito subestimada. A maioria de nós pensa na matéria escura como a cola que mantém unidas as maiores estruturas do Universo: coisas como a teia cósmica e enormes aglomerados de galáxias. Mas a matéria escura também faz duas coisas extremamente importantes em que normalmente não pensamos:

• fornece a maior parte da massa gravitacional que forma todas as galáxias do Universo e continua a mantê-las juntas,
• e evita que a estrutura seja lavada pelas interações que existem entre a matéria normal e a radiação.

Retire a matéria escura, e o que acontece? A estrutura em pequena escala que você tentaria formar não existiria, pois a fase inicial do Universo dominada pela radiação lavaria essas imperfeições. Enquanto isso, as galáxias que você formou sofreriam uma explosão de formação estelar, e então essas estrelas ferveriam toda a matéria circundante, ejetando-a inteiramente da galáxia. Em um universo sem matéria escura, apenas essa primeira geração de estrelas existiria, o que significa que não haveria planetas rochosos, bioquímica e vida.

O sombreamento azul representa as possíveis incertezas em como a densidade de energia escura foi/será diferente no passado e no futuro. Os dados apontam para uma verdadeira constante cosmológica, mas outras possibilidades ainda são permitidas. À medida que a matéria se torna cada vez menos importante, a energia escura se torna o único termo que importa. A taxa de expansão caiu ao longo do tempo, mas agora assíntota para cerca de 55 km/s/Mpc. (HISTÓRIAS QUÂNTICAS)

5.) E se a energia escura não fosse constante no espaço ou no tempo? Esta é a única possibilidade que ainda está na mesa para o nosso Universo: que a energia escura possa evoluir de alguma forma. No melhor de nossos limites observacionais, certamente parece e se comporta como uma constante cosmológica – como uma forma de energia inerente ao próprio tecido do espaço – onde a densidade de energia permanece constante no tempo e em todo o espaço.

Mas não temos restrições sobre como a energia escura se comportou (ou se existiu!) Três telescópios melhorarão isso em um futuro próximo: o EUCLID da ESA, o Observatório Vera Rubin da NSF e o telescópio Nancy Roman da NASA, o último dos quais deve medir se a energia escura muda com uma precisão de apenas ~ 1%.

Se a energia escura se fortalecer, o Universo pode se despedaçar. Se a energia escura enfraquecer ou reverter o sinal, o Universo ainda poderá entrar em colapso. E se a energia escura decair, o Universo como o conhecemos pode acabar. Nenhuma dessas coisas aconteceu ainda, mas se o Universo fosse apenas um pouco diferente, qualquer uma delas poderia ter ocorrido no passado, impedindo que nossa existência ocorresse.

Quão provável ou improvável era o nosso Universo produzir um mundo como a Terra? E quão plausíveis seriam essas probabilidades se as constantes ou leis fundamentais que governam nosso Universo fossem diferentes? A maioria dos Universos que podemos imaginar não daria origem a potenciais observadores, como os seres humanos. A Fortunate Universe, de cuja capa esta imagem foi tirada, é um desses livros que explora essas questões. (GERAINT LEWIS E LUKE BARNES)

Tudo isso, quando tomado em conjunto, nos leva a uma conclusão fascinante: se alguma dessas coisas fosse – de alguma forma – substancialmente diferente do que é, teria sido uma impossibilidade física para os seres humanos terem surgido como nós. dentro do Universo. Um Universo muito liso não teria conseguido criar estrelas e galáxias a tempo; um Universo que se expandisse muito rápido ou lentamente não teria permanecido estável por tempo suficiente para formar algo interessante. Um Universo sem mais matéria do que antimatéria não poderia ter formado estrelas, e um Universo sem matéria escura não poderia ter se agarrado a seus remanescentes para formar planetas.

De muitas maneiras, somos extremamente afortunados por termos conseguido o Universo que ocupamos, como se qualquer uma das muitas coisas fosse um pouco diferente, o Universo não teria admitido a existência de humanos, ou qualquer observador inteligente , como possibilidade. Mas neste nosso cosmos, exatamente do jeito que está, podemos observar cerca de 2 trilhões de galáxias. Em torno de uma das cerca de 400 bilhões de estrelas em uma delas, a Via Láctea, a vida se estabeleceu, sobreviveu, prosperou e evoluiu. Depois de mais de 4 bilhões de anos, os seres humanos surgiram, e agora olhamos para o Universo para aprender nosso lugar nele. Pode não ter sido uma jornada inevitável do Big Bang até nós, mas com certeza foi notável.

Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

Compartilhar: