Começa Com Um Estrondo

Não havia singularidade do Big Bang

Uma ilustração da nossa história cósmica, desde o Big Bang até ao presente, no contexto do Universo em expansão. O Big Bang quente foi precedido por um estado de inflação cósmica, mas a ideia de que tudo isso deve ser precedido por uma singularidade está lamentavelmente desatualizada. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

É uma das maiores suposições que já fizemos sobre o Universo. Aqui está porque está errado.

Quase todo mundo já ouviu a história do Big Bang. Mas se você perguntar a qualquer um, de um leigo a um cosmólogo, para terminar a seguinte frase, No começo, havia… você obterá uma série de respostas diferentes. Uma das mais comuns é a singularidade, que se refere a um instante em que toda a matéria e energia do Universo estavam concentradas em um único ponto. As temperaturas, densidades e energias do Universo seriam arbitrariamente, infinitamente grandes, e poderiam até coincidir com o nascimento do tempo e do próprio espaço.

Mas esta imagem não está apenas errada, está quase 40 anos desatualizada! Estamos absolutamente certos de que não houve singularidade associada ao Big Bang quente, e pode nem ter havido um nascimento no espaço e no tempo. Aqui está o que sabemos e como sabemos.

A pesquisa GOODS-North, mostrada aqui, contém algumas das galáxias mais distantes já observadas, muitas das quais já são inalcançáveis por nós. À medida que olhamos para distâncias cada vez maiores, descobrimos que as galáxias mais distantes parecem se afastar de nós em velocidades cada vez mais rápidas, devido à expansão do Universo. (NASA, ESA E Z. LEVAY (STSCI))

Quando olhamos para o Universo hoje, vemos que ele está cheio de galáxias em todas as direções em uma ampla variedade de distâncias. Em média, também descobrimos que quanto mais distante uma galáxia está, mais rápido ela parece estar se afastando de nós. Isso não se deve aos movimentos reais das galáxias individuais através do espaço; é devido ao fato de que o próprio tecido do espaço está se expandindo.

Esta foi uma previsão que foi provocada pela Relatividade Geral pela primeira vez em 1922 por Alexander Friedmann, e foi confirmada pela observação pelo trabalho de Edwin Hubble e outros na década de 1920. Isso significa que, com o passar do tempo, a matéria dentro dele se espalha e se torna menos densa, pois o volume do Universo aumenta. Isso também significa que, se olharmos para o passado, o Universo era mais denso, mais quente e mais uniforme.

Se extrapolarmos todo o caminho de volta, chegaremos a estados anteriores, mais quentes e mais densos. Isso culmina em uma singularidade, onde as próprias leis da física se quebram? (NASA/CXC/M.WEISS)

Se você fosse extrapolar cada vez mais no tempo, começaria a notar algumas mudanças importantes no Universo. Em particular:

você chegaria a uma era em que a gravitação não teve tempo suficiente para puxar a matéria em aglomerados grandes o suficiente para ter estrelas e galáxias,
você chegaria a um lugar onde o Universo era tão quente que você não poderia formar átomos neutros,
e então onde até os núcleos atômicos foram destruídos,
onde os pares matéria-antimatéria se formariam espontaneamente,
e onde prótons e nêutrons individuais seriam dissociados em quarks e glúons.

Uma singularidade é onde a física convencional falha, inclusive se você estiver falando sobre o início do Universo. No entanto, existem consequências para alcançar estados arbitrariamente quentes e densos no Universo, e muitos deles não conseguem sustentar as observações. (2007–2016, INSTITUTO MAX PLANCK DE FÍSICA GRAVITACIONAL, POTSDAM)

Cada passo representa o Universo quando era mais jovem, menor, mais denso e mais quente. Eventualmente, se você continuasse extrapolando, veria essas densidades e temperaturas subirem para valores infinitos, pois toda a matéria e energia do Universo estavam contidas em um único ponto: uma singularidade. O Big Bang quente, como foi concebido inicialmente, não era apenas um estado quente, denso e em expansão, mas representava um instante em que as leis da física se quebravam. Foi o nascimento do espaço e do tempo: uma maneira de fazer com que todo o Universo surgisse espontaneamente. Foi o ato final da criação: a singularidade associada ao Big Bang.

As estrelas e galáxias que vemos hoje nem sempre existiram, e quanto mais recuamos, mais próximo de uma aparente singularidade o Universo fica, mas há um limite para essa extrapolação. (NASA, ESA, E A. FEILD (STSCI))

No entanto, se isso estivesse correto, e o Universo tivesse atingido temperaturas arbitrariamente altas no passado, haveria várias assinaturas claras disso que poderíamos observar hoje. Haveria flutuações de temperatura no brilho remanescente do Big Bang que teriam amplitudes tremendamente grandes. As flutuações que vemos seriam limitadas pela velocidade da luz; eles só apareceriam em escalas do horizonte cósmico e menores. Haveria sobras de relíquias cósmicas de alta energia de épocas anteriores, como monopolos magnéticos.

E, no entanto, as flutuações de temperatura são de apenas 1 parte em 30.000, milhares de vezes menores do que um Big Bang singular prevê. As flutuações do super-horizonte são reais, robustamente confirmadas tanto pelo WMAP quanto pelo Planck. E as restrições aos monopolos magnéticos e outras relíquias de energia ultra-alta são incrivelmente rígidas. Essas assinaturas ausentes têm uma enorme implicação: o Universo nunca atingiu essas temperaturas arbitrariamente grandes.

As flutuações no Fundo de Microondas Cósmicas são de magnitude tão pequena e de um padrão tão particular que indicam fortemente que o Universo começou com a mesma temperatura em todos os lugares e teve apenas 1 parte em 30.000 flutuações, um fato que é irreconciliável com uma quente Big Bang. (A COLABORAÇÃO ESA E PLANCK)

Em vez disso, deve ter havido um corte. Não podemos extrapolar arbitrariamente para longe , para um estado quente e denso que atinge todas as energias com as quais podemos sonhar. Há um limite para o quão longe podemos ir e ainda descrever validamente nosso Universo. No início da década de 1980, foi teorizado que, antes de nosso Universo ser quente, denso, em expansão, esfriando e cheio de matéria e radiação, ele estava inflando. Uma fase de inflação cósmica significaria que o Universo era:

cheio de energia inerente ao próprio espaço,
que causa uma expansão rápida e exponencial,
que estica o Universo plano,
dá-lhe as mesmas propriedades em todos os lugares,
com flutuações quânticas de pequena amplitude,
que se estendem a todas as escalas (mesmo as do super-horizonte),

e então a inflação chega ao fim.

A inflação faz com que o espaço se expanda exponencialmente, o que pode resultar muito rapidamente em qualquer espaço curvo ou não liso pré-existente parecendo plano. Se o Universo é curvo, ele tem um raio de curvatura no mínimo centenas de vezes maior do que podemos observar. (E. SIEGEL (L); TUTORIAL DE COSMOLOGIA DE NED WRIGHT (R))

Quando isso acontece, ele converte essa energia, que antes era inerente ao próprio espaço, em matéria e radiação, o que leva ao Big Bang quente. Mas isso não leva a um Big Bang arbitrariamente quente, mas sim a uma temperatura máxima que é no máximo centenas de vezes menor do que a escala em que uma singularidade poderia surgir. Em outras palavras, leva a um Big Bang quente que surge de um estado inflacionário, não de uma singularidade.

A informação que existe em nosso Universo observável, que podemos acessar e medir, corresponde apenas aos ~10^-33 segundos finais de inflação e tudo o que veio depois. Se você quiser perguntar quanto tempo durou a inflação, simplesmente não temos ideia. Durou pelo menos um pouco mais do que 10^-33 segundos, mas se durou um pouco mais, muito mais ou por uma quantidade infinita de tempo não é apenas desconhecido, mas incognoscível.

A história cósmica de todo o Universo conhecido mostra que devemos a origem de toda a matéria dentro dele, e toda a luz, em última análise, ao fim da inflação e ao início do Hot Big Bang. Desde então, tivemos 13,8 bilhões de anos de evolução cósmica, uma imagem confirmada por várias fontes. (A COLABORAÇÃO ESA E PLANCK / E. SIEGEL (CORREÇÕES))

Então, o que aconteceu para iniciar a inflação? Há uma tremenda quantidade de pesquisas e especulações sobre isso, mas ninguém sabe. Não há nenhuma evidência que possamos apontar; nenhuma observação que possamos fazer; nenhum experimento que possamos realizar. Algumas pessoas (erroneamente) dizem algo semelhante a:

Bem, tivemos uma singularidade do Big Bang dando origem ao Universo quente, denso e em expansão antes de sabermos sobre a inflação, e a inflação representa apenas um passo intermediário. Portanto, vai: singularidade, inflação e depois o Big Bang quente.

Existem até alguns gráficos muito famosos publicados pelos principais cosmólogos que ilustram essa imagem. Mas isso não significa que isso esteja certo.

Ilustração das flutuações da densidade (escalar) e da onda gravitacional (tensor) decorrentes do fim da inflação. Observe que a suposição de que existe uma singularidade antes da inflação não é necessariamente válida. (FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS (NASA, JPL, FUNDAÇÃO KECK, FUNDAÇÃO MOORE, RELACIONADA) - PROGRAMA BICEP2 FINANCIADO)

Na verdade, há boas razões para acreditar que isso não está certo! Uma coisa que podemos demonstrar matematicamente, de fato, é que é impossível que um estado inflado surja de uma singularidade. Eis o porquê: o espaço se expande a uma taxa exponencial durante a inflação. Pense em como funciona um exponencial: depois de um certo tempo, o Universo dobra de tamanho. Espere o dobro do tempo e dobra duas vezes, tornando-o quatro vezes maior. Espere três vezes mais, dobra três vezes, tornando-o 8 vezes maior. E se você esperar 10 ou 100 vezes mais, essas duplicações tornam o Universo 2¹⁰ ou 2¹⁰⁰ vezes maior.

O que significa que se retrocedermos no tempo nessa mesma quantidade, ou duas, ou três vezes, ou 10 ou 100 vezes, o Universo seria menor, mas nunca chegaria ao tamanho 0. Respectivamente, seria metade, um quarto, um oitavo, 2^-10 ou 2^-100 vezes seu tamanho original. Mas não importa o quão longe você vá, você nunca alcança uma singularidade.

As linhas azul e vermelha representam um cenário tradicional do Big Bang, onde tudo começa no tempo t=0, incluindo o próprio espaço-tempo. Mas em um cenário inflacionário (amarelo), nunca alcançamos uma singularidade, onde o espaço vai para um estado singular; em vez disso, ele só pode ficar arbitrariamente pequeno no passado, enquanto o tempo continua a retroceder para sempre. A condição sem fronteira de Hawking-Hartle desafia a longevidade desse estado, assim como o teorema de Borde-Guth-Vilenkin, mas nenhum deles é uma coisa certa. (E. SIEGEL)

Existe um teorema, famoso entre os cosmólogos , mostrando que um estado inflacionário é incompleto no passado. O que isso significa, explicitamente, é que se você tiver quaisquer partículas que existam em um Universo inflado, elas eventualmente se encontrarão se você extrapolar no tempo. Isso não significa, no entanto, que deve ter havido uma singularidade, mas sim que a inflação não descreve tudo o que ocorreu na história do Universo, como seu nascimento. Também sabemos, por exemplo, que a inflação não pode surgir de um estado singular, porque uma região inflacionária deve sempre começar de um tamanho finito.

As flutuações no próprio espaço-tempo na escala quântica se estendem pelo Universo durante a inflação, dando origem a imperfeições na densidade e nas ondas gravitacionais. Não se sabe se a inflação surgiu de uma eventual singularidade ou não. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA/PLANCK E DA FORÇA-TAREFA INTERAGÊNCIA DO DOE/NASA/NSF NA PESQUISA CMB)

Toda vez que você vir um diagrama, um artigo ou uma história falando sobre a singularidade do big bang ou qualquer tipo de big bang/singularidade existente antes da inflação, saiba que está lidando com um método de pensamento ultrapassado. A ideia de uma singularidade do Big Bang saiu pela janela assim que percebemos que tínhamos um estado diferente – o da inflação cósmica – precedendo e estabelecendo o estado inicial, quente e denso do Big Bang. Pode ter havido uma singularidade no início do espaço e do tempo, com a inflação surgindo depois disso, mas não há garantia. Na ciência, existem coisas que podemos testar, medir, prever e confirmar ou refutar, como um estado inflacionário dando origem a um Big Bang quente. Todo o resto? Não passa de especulação.

Verificação de saída algumas informações adicionais sobre a (falta de) Big Bang Singularity o mais recente Starts With A Bang Podcast !