• Começa Com Um Estrondo

É assim que a física quântica cria as maiores estruturas cósmicas de todas

A formação da estrutura cósmica, tanto em grande quanto em pequena escala, é altamente dependente de como a matéria escura e a matéria normal interagem, bem como as flutuações iniciais de densidade que têm sua origem na física quântica. As estruturas que surgem, incluindo aglomerados de galáxias e filamentos de maior escala, são consequências indiscutíveis da matéria escura. (COLABORAÇÃO ILLUSTRIS / SIMULAÇÃO ILLUSTRIS)

Como a física nas menores escalas pode afetar o que o Universo faz nas maiores? A inflação cósmica tem a resposta.

Em um nível macroscópico, o Universo parece ser inteiramente clássico. A gravidade pode ser descrita pela curvatura do espaço de acordo com as regras da Relatividade Geral; efeitos eletromagnéticos são perfeitamente bem descritos pelas equações de Maxwell. Somente em escalas ultra-minúsculas os efeitos quânticos começam a entrar em ação, mostrando-se em características como transições atômicas, linhas de absorção e emissão, polarização da luz e birrefringência no vácuo.

E, no entanto, se extrapolarmos de volta aos estágios iniciais do Universo, todas as interações relevantes que ocorreram foram de natureza puramente quântica. Partículas e campos quânticos individuais interagiram em escalas curtas e com energias enormes, levando a muitos observáveis ​​hoje que têm um legado quântico impresso neles. Em particular, as maiores estruturas galácticas e supergalácticas também devem suas origens à física quântica. Aqui está como.

As galáxias comparáveis ​​à atual Via Láctea são numerosas, mas as galáxias mais jovens semelhantes à Via Láctea são inerentemente menores, mais azuis, mais caóticas e mais ricas em gás em geral do que as galáxias que vemos hoje. Para as primeiras galáxias de todas, isso deve ser levado ao extremo e permanece válido desde que já vimos. As exceções, quando as encontramos, são intrigantes e raras. (NASA E ESA)

Se quisermos olhar para trás no tempo, tudo o que temos a fazer é olhar para o Universo como ele apareceu a distâncias cada vez maiores de nós. Como a luz só viaja a uma velocidade finita, a luz que vemos hoje que chega após uma jornada de um bilhão de anos corresponde à luz emitida há um bilhão de anos: um bilhão de anos mais perto do Big Bang.

Quando olhamos dessa maneira, não apenas vemos que as galáxias individuais (acima) evoluíram, ficando maiores, mais massivas e de cor mais avermelhada, mas que o Universo como um todo ficou mais grumoso, mais aglomerado e com uma aparência mais pronunciada estrutura semelhante a uma teia. Embora nosso Universo possa parecer praticamente uniforme nas maiores escalas cósmicas, particularmente nos primeiros tempos, deve ter havido inicialmente regiões superdensas e subdensas para permitir que essa teia cósmica se formasse e crescesse.

A evolução da estrutura em grande escala no Universo, de um estado inicial uniforme ao Universo agrupado que conhecemos hoje. O tipo e a abundância de matéria escura produziriam um Universo muito diferente se alterássemos o que nosso Universo possui. Observe que, em todos os casos, a estrutura em pequena escala surge antes que a estrutura nas maiores escalas ocorra, e que mesmo as regiões mais subdensas de todas ainda contêm quantidades diferentes de zero de matéria. (ANGULO ET AL. 2008, VIA DURHAM UNIVERSITY)

Como ficamos sem estruturas visíveis para sondar o Universo primitivo – não apenas na prática, mas também em princípio – temos que extrapolar como a estrutura cresceu durante as primeiras centenas de milhões de anos: até que as primeiras estrelas e galáxias possam ser observadas. Embora nossas teorias sejam muito boas nesse regime, temos que comparar o que vemos com observáveis, ou é tudo em vão.

Felizmente, porém, o Universo nos fornece outra sonda das primeiras sementes da estrutura cósmica moderna: as imperfeições no brilho remanescente do Big Bang: o fundo cósmico de microondas. O que percebemos como flutuações de temperatura no início do Universo, como locais ligeiramente mais frios ou ligeiramente mais quentes do que a média, estão na verdade relacionados às flutuações de densidade que crescerão na estrutura de grande escala que observamos hoje.

As flutuações de frio (mostradas em azul) na CMB não são inerentemente mais frias, mas representam regiões onde há uma maior atração gravitacional devido a uma maior densidade de matéria, enquanto os pontos quentes (em vermelho) são apenas mais quentes porque a radiação em aquela região vive em um poço gravitacional mais raso. Com o tempo, as regiões superdensas terão muito mais probabilidade de se transformar em estrelas, galáxias e aglomerados, enquanto as regiões subdensas terão menos probabilidade de fazê-lo. A densidade gravitacional das regiões pelas quais a luz passa enquanto viaja também pode aparecer na CMB, nos ensinando como essas regiões realmente são. (E.M. HUFF, A EQUIPE DO SDSS-III E A EQUIPE DO TELESCÓPIO DO PÓLO SUL; GRÁFICO DE ZOSIA ROSTOMIAN)

O brilho remanescente do Big Bang – o fundo cósmico de micro-ondas (CMB) – remonta a uma época em que apenas ~ 380.000 anos se passaram desde o próprio evento do Big Bang. Em todas as direções, não importa para onde olhemos no céu, vemos que há radiação vindo em nossa direção quase na mesma temperatura exata: 2,725 K.

Mas as imperfeições nessa temperatura, embora estejam apenas algumas dezenas ou centenas de microkelvin abaixo da média, são extremamente importantes. As regiões que parecem um pouco mais frias têm a mesma radiação que qualquer outra região, mas têm um pouco mais de matéria, o que significa que os fótons que saem dessas regiões têm que perder mais energia devido ao redshift gravitacional do que na região média. Por outro lado, regiões ligeiramente mais quentes que a média são subdensas e, portanto, os pontos quentes e frios que vemos correspondem a regiões de maior ou menor densidade que a média.

As regiões superdensas, médias e subdensas que existiam quando o Universo tinha apenas 380.000 anos agora correspondem a pontos frios, médios e quentes na CMB, que por sua vez foram gerados pela inflação. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Podemos fazer as medições do que realmente observamos na CMB e calcular como eram as flutuações iniciais: aquelas com as quais o Universo nasceu no início do Big Bang, em vez do que elas evoluíram centenas de milhares de anos depois.

Quando fazemos isso, descobrimos que, para obter o padrão específico de picos e vales quando olhamos em escalas angulares maiores ou menores, o Universo teve que nascer com um espectro quase invariante de escala dessas flutuações. Existem flutuações de magnitude ligeiramente maiores em escalas maiores e flutuações de magnitude ligeiramente menores em escalas menores, mas há apenas uma pequena diferença percentual no geral. O padrão que vemos na CMB moderna reflete não apenas quais foram essas flutuações iniciais, mas como elas evoluíram à medida que o Universo se expandia, esfriava e gravitava ao longo dessas primeiras centenas de milhares de anos.

O espectro inicial de flutuações de densidade pode ser modelado muito bem pela linha plana horizontal que corresponde a um espectro de potência invariante de escala (n_s = 1). Uma inclinação ligeiramente vermelha (para valores inferiores a um) significa que há mais potência em grandes escalas, o que explica a parte esquerda relativamente plana (em grandes escalas angulares) da curva observada. O Universo exibe uma combinação de cenários de cima para baixo e de baixo para cima. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Então, de onde vieram essas flutuações iniciais de densidade? Por que o Universo não nasceu perfeitamente liso?

A resposta a essas perguntas vem da própria teoria que precedeu, configurou e deu origem ao Big Bang: a inflação cósmica. Antes que o Universo estivesse cheio de partículas, antipartículas e radiação – antes de esfriar e se tornar menos denso enquanto se expandia – houve uma fase em que foi preenchido com algum tipo de energia do vácuo, ou energia inerente ao próprio tecido do espaço.

Durante esta fase inflacionária, o Universo estava se expandindo exponencialmente, o que significa que a taxa de expansão não muda com o passar do tempo. As distâncias dobram a cada pequena fração de segundo, o que afasta quaisquer partículas umas das outras, dá ao nosso Universo observável as mesmas propriedades em todos os lugares e estende o Universo a um estado indistinguível de plano.

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)

Em suma, uma fase inflacionária precede e configura o Big Bang. Quando a inflação termina, toda aquela energia que era inerente ao espaço é despejada na matéria, antimatéria e radiação: o conjunto completo de partículas e campos permitidos pelo Modelo Padrão e pelas leis da física.

Mas é apenas uma aproximação de que a densidade de energia em todos os locais será exatamente a mesma. Você vê, assim como todos os campos do Universo, qualquer campo que seja responsável pela inflação também deve ser inerentemente um campo quântico. E todo campo quântico não tem apenas um valor que permanece constante ao longo do tempo, mas tem flutuações de campo e excitações inerentes a ele: essas flutuações quânticas não podem ser ignoradas. Como a inflação é um período de tempo em que a energia do Universo está ligada a um campo quântico inerente ao próprio espaço, então esse campo também terá flutuações quânticas, que correspondem a regiões de energia um pouco maior ou menor que a média .

Uma visualização do QCD ilustra como os pares partícula/antipartícula saem do vácuo quântico por períodos de tempo muito pequenos como consequência da incerteza de Heisenberg. O vácuo quântico é interessante porque exige que o próprio espaço vazio não seja tão vazio, mas seja preenchido com todas as partículas, antipartículas e campos em vários estados que são exigidos pela teoria quântica de campos que descreve nosso Universo. Junte tudo isso e você descobrirá que o espaço vazio tem uma energia de ponto zero que na verdade é maior que zero. (DEREK B. LEINWEBER)

Essas flutuações começam em escalas muito pequenas: as mesmas flutuações quânticas que muitas vezes visualizamos como pares partícula-antipartícula surgindo por um período muito breve de tempo, depois desaparecendo quando a re-aniquilação novamente.

Mas durante a inflação, o tecido do espaço se expande muito rapidamente e afasta essas flutuações positivas e negativas umas das outras de forma tão extravagante que não podem ser aniquiladas novamente. Em vez disso, eles simplesmente se estendem pelo Universo e, em seguida, novos são sobrepostos aos antigos. No momento em que a inflação chega ao fim, o Universo tem quase (mas não exatamente) um conjunto de flutuações de densidade invariantes em todas as escalas que podemos observar.

As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação de fato se estendem pelo Universo, mas também causam flutuações na densidade total de energia. Essas flutuações de campo causam imperfeições de densidade no Universo primitivo, que então levam às flutuações de temperatura que experimentamos no fundo cósmico de micro-ondas. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

Devido a essas flutuações quânticas geradas durante a inflação, o Universo, no início do Big Bang, terá regiões do espaço em todas as escalas angulares que se afastam da densidade média em cerca de 1 parte em 30.000. Com o tempo, a gravitação funcionará para colapsar as regiões superdensas e roubar matéria das regiões subdensas, enquanto a radiação funciona para sair ou entrar em regiões que se afastam dessa densidade média.

A combinação desse efeito com interações entre partículas, radiação e outras partículas serve para criar os padrões de flutuação que vemos na CMB hoje, bem como as regiões superdensas e subdensas que crescem na teia cósmica de estrutura em grande escala que vemos hoje. . Podemos rastrear tudo isso até sua origem inflacionária, que não apenas é consistente com tudo o que sabemos e observamos sobre o Universo, mas demonstra a necessidade de a inflação ser impulsionada por um campo quântico.

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. O crescimento da estrutura dessas flutuações de sementes e suas impressões no espectro de potência do Universo e os diferenciais de temperatura da CMB podem ser usados ​​para determinar várias propriedades sobre o nosso Universo. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA/PLANCK E DA FORÇA-TAREFA INTERAGÊNCIA DO DOE/NASA/NSF NA PESQUISA CMB)

Se não fosse pela física quântica, o Universo teria nascido perfeitamente liso, com cada região do espaço tendo exatamente a mesma temperatura e densidade que todas as outras regiões. Com o passar do tempo, ainda teríamos a matéria vencendo a antimatéria, formando os elementos leves através da nucleossíntese e depois criando átomos neutros à medida que o Universo se expandia e esfriava.

Mas não formaríamos estrelas e galáxias como o nosso Universo fez. Levaria muitos bilhões de anos até mesmo para os primeiros se formarem: muitas centenas de vezes mais do que realmente vemos. A existência de enormes aglomerados de galáxias e uma teia cósmica em grande escala seria proibida, pois as sementes da estrutura não estariam lá para que elas crescessem. E a energia escura seria o último prego no caixão, impedindo que as maiores estruturas se formassem.

A única razão pela qual os temos é por causa da natureza quântica do nosso Universo. É apenas por causa da conexão entre a menor e a maior escala – a quântica e a cósmica – que podemos dar sentido ao nosso Universo.

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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