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O que veio primeiro: a inflação ou o Big Bang?

Toda a nossa história cósmica é teoricamente bem compreendida, mas apenas porque entendemos a teoria da gravitação que a fundamenta e porque conhecemos a atual taxa de expansão e composição de energia do Universo. A luz sempre continuará a se propagar através deste Universo em expansão, e continuaremos a receber essa luz arbitrariamente no futuro, mas será limitado no tempo até o que nos alcance. Ainda temos perguntas não respondidas sobre nossas origens cósmicas, mas a física pode limitar fundamentalmente o que podemos saber. (NICOLE RAGER FULLER / FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS)

A história de origem do nosso Universo teve uma grande revisão há quase 40 anos. Hora de pegar.

13,8 bilhões de anos atrás, toda a matéria e energia contidas em nosso Universo estavam concentradas em um volume de espaço do tamanho de uma bola de futebol . Mesmo com toda essa energia em um espaço tão pequeno, no entanto, não entramos em colapso em um buraco negro. Em vez disso, o Universo se expandiu a uma taxa rápida que equilibrou a densidade de energia com tanta precisão que, por toda a nossa história cósmica medida, andamos nessa linha tênue entre expansão e retração.

Hoje, tudo o que podemos ver dentro do Universo se estende por cerca de 46 bilhões de anos-luz em todas as direções, e os cientistas podem rastrear essa origem até um estado quente, denso, mais uniforme e de expansão mais rápida. Como muitos teóricos, você pode ser tentado a extrapolar isso ainda mais para trás, para um estado arbitrariamente quente e denso: uma singularidade. Mas essa tentação é a raiz da maioria dos nossos mal-entendidos em torno do nascimento do Universo. Afinal, o Big Bang não foi o começo. Em vez disso, essa honra vai para a inflação cósmica, e todos devem entender o porquê.

O Universo não apenas se expande uniformemente, mas tem pequenas imperfeições de densidade dentro dele, que nos permitem formar estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias com o passar do tempo. Adicionar heterogeneidades de densidade em cima de um fundo homogêneo é o ponto de partida para entender como o Universo se parece hoje. (E.M. HUFF, A EQUIPE DO SDSS-III E A EQUIPE DO TELESCÓPIO DO PÓLO SUL; GRÁFICO DE ZOSIA ROSTOMIAN)

Quando olhamos para o Universo hoje, vemos uma série de fatos observáveis ​​que clamam por uma explicação. Eles incluem:

• o fato de que galáxias mais distantes parecem se afastar de nós em proporção direta à sua distância de nós,
• o fato de as galáxias, a distâncias maiores, parecerem menores, mais azuis, mais jovens e menos evoluídas,
• o fato de o Universo, a distâncias maiores, parecer menos grumoso e mais uniforme, com menos aglomeração em grandes escalas,
• o fato de que a porcentagem de elementos pesados ​​(átomos mais pesados ​​que hidrogênio e hélio) assíntota para 0% nas maiores distâncias,
• e o fato de que vemos um fundo muito frio, mas claramente identificável, de radiação de corpo negro em todas as direções do espaço.

Notavelmente, uma estrutura é consistente com cada uma dessas observações: o Big Bang.

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. São necessárias escalas de tempo cósmicas para que a estrutura do Universo se forme e se construa até o que vemos hoje. (NASA E ESA)

De acordo com a grande ideia do Big Bang, o Universo era mais quente, mais denso e mais uniforme no passado, e evoluiu para o que é hoje expandindo, resfriando e gravitando para formar uma grande teia cósmica. O próprio tecido do espaço se expande com o passar do tempo, à medida que as leis da Relatividade Geral exigem um Universo que seja preenchido com quantidades aproximadamente iguais de matéria e energia em todas as direções e locais, fazendo com que os comprimentos de onda dos fótons se estendam, a energia cinética de massivos partículas diminuam, e permitindo que as imperfeições gravitacionais cresçam constantemente.

No contexto do Big Bang, cada um dos fenômenos observáveis ​​mencionados anteriormente recebe uma explicação física: galáxias distantes parecem se deslocar para o vermelho porque o Universo em expansão estica o comprimento de onda da luz; galáxias mais distantes são realmente mais jovens e menos evoluídas; o Universo era menos aglomerado no passado; as proporções atômicas primitivas são 75% de hidrogênio, 25% de hélio e 0,00000007% de lítio; a radiação restante foi descoberta em meados da década de 1960.

De acordo com as observações originais de Penzias e Wilson, o plano galáctico emitiu algumas fontes astrofísicas de radiação (centro), mas acima e abaixo, tudo o que restava era um fundo uniforme e quase perfeito de radiação. A temperatura e o espectro dessa radiação já foram medidos, e a concordância com as previsões do Big Bang é extraordinária. Se pudéssemos ver a luz de micro-ondas com nossos olhos, todo o céu noturno se pareceria com o oval verde mostrado. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)

Essa última descoberta praticamente matou todas as alternativas do Big Bang e instalou o Big Bang como a história de origem cósmica de tudo dentro do nosso Universo observável. O Universo emergiu desse estado inicial quente, denso e uniforme e, com o tempo, expandiu e esfriou.

Quando esfria abaixo de um limiar de energia específico, torna-se incapaz de gerar espontaneamente partículas cuja massa (via E = mc² ) é muito grande; nas primeiras frações de segundo, todas as partículas de antimatéria, exceto pósitrons e antineutrinos, são aniquiladas.

Cerca de 1 segundo após o Big Bang, neutrinos e antineutrinos congelam, o que significa que suas taxas de interação (dependentes de energia) caem para uma frequência tão baixa que eles efetivamente nunca mais interagem novamente.

E à medida que avançamos, as reações nucleares ocorrem e depois cessam; átomos neutros se formam de forma estável, liberando aquela radiação primitiva; as imperfeições gravitacionais crescem em escalas cada vez maiores, levando à formação das primeiras estrelas, depois galáxias e depois a enorme teia cósmica.

As estrelas e galáxias que vemos hoje nem sempre existiram, e quanto mais recuamos, mais próximo de uma aparente singularidade o Universo fica, à medida que avançamos para estados mais quentes, mais densos e mais uniformes. No entanto, há um limite para essa extrapolação, pois voltar a uma singularidade cria quebra-cabeças que não podemos responder. (NASA, ESA, E A. FEILD (STSCI))

Mas e a história de origem do Big Bang? De onde veio o próprio Big Bang?

Se você extrapolar o Universo em expansão e resfriamento até onde a física teórica permite, você chegará a um evento no passado conhecido como singularidade. Essencialmente, você estaria empacotando toda a matéria e energia do Universo em um único ponto. (As leis da física quebram e param de dar respostas sensatas, uma vez que você atinge uma energia extremamente alta de ~10¹⁹ GeV por partícula, o que corresponde a uma idade do Universo de ~10^–43 segundos após o Big Bang.)

Uma singularidade, na perspectiva da Relatividade Geral, é o único evento que pode corresponder ao ponto inicial ou final do espaço e do tempo. Portanto, poderíamos extrapolar todo o caminho de volta para uma singularidade na estrutura do Big Bang e chegar a um ponto que poderíamos legitimamente nos referir como o início.

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? É uma extrapolação lógica, mas não necessariamente correta. (NASA/CXC/M.WEISS)

Da década de 1920 até a década de 1970, os cientistas pensaram que tinham uma história satisfatória para nossas origens cósmicas, e apenas algumas questões permaneceram sem solução. Todos eles, no entanto, tinham algo em comum: todos fizeram alguma variedade da pergunta: por que o Universo começou com um conjunto específico de propriedades e não outras?

• Por que o Universo nasceu perfeitamente plano espacialmente, com sua densidade total de matéria e energia equilibrando perfeitamente a taxa de expansão inicial?
• Por que o Universo tem exatamente a mesma temperatura, com precisão de 99,997%, em todas as direções, mesmo que o Universo não exista há tempo suficiente para que diferentes regiões se termalizem e atinjam um estado de equilíbrio?
• Por que, se o Universo atingiu essas energias ultra-altas no início, não existem relíquias de alta energia (como monopolos magnéticos) previstas por extensões genéricas do Modelo Padrão da física de partículas?
• E por que, já que a entropia de um sistema sempre aumenta, o Universo nasceu em uma configuração tão baixa de entropia em relação à sua configuração hoje?

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, 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)

Na física, temos duas maneiras de lidar com questões como essas. Como todas essas perguntas são sobre condições iniciais ⁠ — ou seja, por que nosso sistema (o Universo) começou com essas condições específicas e não outras ⁠ — podemos escolher o seguinte:

1. Podemos tentar inventar um mecanismo teórico que transforme condições iniciais arbitrárias nas que observamos, inclusive que reproduza todos os sucessos do Big Bang quente, e então provocar novas previsões que nos permitirão testar a nova teoria contra a velha teoria do velho e simples Big Bang sem quaisquer alterações.
2. Ou podemos simplesmente afirmar que as condições iniciais são o que são e não apenas não há explicação para esses valores/parâmetros, mas também não precisamos de uma.

Embora não seja claro para todos, a primeira opção é a única que é científica; a segunda opção, muitas vezes elogiada por aqueles que filosofam sobre a paisagem ou o multiverso, equivale a desistir completamente da ciência.

Foi a consideração de vários cenários bem ajustados (e pensando na apresentação de Bob Dicke desses problemas de ajuste fino) que levou Alan Guth a conceber a inflação cósmica, a principal teoria da origem do Universo. (CADERNO DE 1979 DE ALAN GUTH)

A grande ideia que realmente deu certo é conhecida, hoje, como inflação cósmica. Em 1979/80, Alan Guth propôs que uma fase inicial do Universo, onde toda a energia não estava em partículas ou radiação, mas no próprio tecido do espaço, levaria a um tipo especial de expansão exponencial conhecida como fase de Sitter . Nesse estado, qualquer pedaço inicial do Universo que começasse a inflar seria:

• ser esticada, em escalas de tempo incrivelmente curtas, para um tamanho tão grande que sua topologia se tornaria indistinguível de plana para qualquer observador,
• têm as mesmas condições iniciais (densidade e temperatura) em todos os lugares, até a escala das flutuações quânticas, que se sobrepõem a um fundo uniforme, já que todo o nosso Universo observável já foi causalmente conectado na mesma região do espaço no passado distante,
• só atinge uma temperatura máxima significativamente menor do que a escala de Planck (aquela escala de energia de 10¹⁹ GeV mencionada anteriormente) quando a inflação termina e transita para o estado quente, denso, uniforme, de expansão e resfriamento que associamos ao Big Bang quente,
• e passaria de um estado de entropia mais baixa de um Universo inflado para um estado de entropia muito mais alta do Big Bang quente, onde a entropia continuará a aumentar como acontece em nosso Universo observado.

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)

Desde que a inflação foi proposta e refinada pela primeira vez no início e meados da década de 1980, aprendemos muito sobre nossas origens cósmicas. Além de reproduzir os sucessos do Big Bang e explicar essas condições iniciais inexplicáveis, fez seis novas previsões sobre propriedades que o Universo deveria ter hoje , com quatro verificados observacionalmente e dois ainda não suficientemente testados para saber com certeza. Entre a maioria das pessoas que estudam o Universo primitivo, a inflação é aceita como a nova teoria do consenso. Podemos não saber tudo o que há para saber sobre inflação, mas ou ela – ou algo tão semelhante a ela que não temos uma observação para diferenciá-los – deve ter acontecido.

Com tudo isso dito, o que isso significa para nossas origens cósmicas? Do ponto de vista da linha do tempo, o que vem primeiro: o Big Bang ou a inflação?

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. Apenas a última minúscula fração de segundo, desde o fim da inflação, se imprime em nosso Universo observável hoje. A condição sem fronteiras 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)

Acredite ou não, o gráfico acima contém todas as informações que você precisa saber com certeza. Duas das curvas – vermelha e azul – representam um Universo dominado por matéria ou radiação. Como você pode ver claramente, se você os extrapolar arbitrariamente de volta ao passado, você obtém um tamanho infinitamente pequeno em um tempo finito de t = 0, que é uma singularidade.

Mas se em algum momento o Universo não for dominado por matéria ou radiação, mas por uma forma de energia inerente ao próprio espaço, você obtém a curva amarela. Observe como essa curva amarela, por ser uma curva exponencial, nunca chega a zero em tamanho, mas apenas se aproxima dele, mesmo se você retroceder infinitamente no tempo. Um Universo inflando não começa em uma singularidade como um Universo dominado por matéria ou radiação. Tudo o que podemos afirmar com certeza é que o estado que chamamos de Big Bang quente só surgiu após o fim da inflação. Não diz nada sobre as origens da inflação.

As flutuações quânticas inerentes ao espaço, estendidas pelo Universo durante a inflação cósmica, deram origem às flutuações de densidade impressas no fundo cósmico de micro-ondas, que por sua vez deram origem às estrelas, galáxias e outras estruturas de grande escala no Universo hoje. Esta é a melhor imagem que temos de como todo o Universo se comporta, onde a inflação precede e configura o Big Bang. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA/PLANCK E DA FORÇA-TAREFA INTERAGÊNCIA DO DOE/NASA/NSF NA PESQUISA CMB)

Na verdade, todo o nosso Universo observável não contém nenhuma assinatura de quase toda a sua história pré-quente-Big-Bang; apenas os 10^–32 segundos finais (mais ou menos) de inflação deixam assinaturas observáveis ​​impressas em nosso Universo. No entanto, não sabemos de onde veio o estado inflacionário. Pode surgir de um estado pré-existente que tenha uma singularidade, pode ter existido em sua forma inflacionária para sempre, ou o próprio Universo pode até ser de natureza cíclica.

Há muitas pessoas que querem dizer a singularidade inicial quando dizem o Big Bang, e para essas pessoas, eu digo que já passou muito tempo para você entender os tempos. O Big Bang quente não pode ser extrapolado para uma singularidade, mas apenas para o fim de um estado inflacionário que o precedeu. Não podemos afirmar com confiança, porque não há assinaturas nem em princípio , o que precedeu os estágios finais da inflação. Houve uma singularidade? Talvez, mas mesmo assim, não tem nada a ver com o Big Bang.

Nesta linha do tempo/história do gráfico do Universo, a colaboração BICEP2 coloca o Big Bang antes da inflação, um erro comum, mas inaceitável. Mesmo que este não tenha sido o principal pensamento no campo em quase 40 anos, serve como um exemplo de pessoas, hoje, errando um detalhe conhecido por simples falta de cuidado. (FUNDAÇÃO NACIONAL DE CIÊNCIAS (NASA, JPL, FUNDAÇÃO KECK, FUNDAÇÃO MOORE, RELACIONADA) - PROGRAMA BICEP2 FINANCIADO)

A inflação veio primeiro, e seu fim anunciou a chegada do Big Bang . Ainda há quem discorde, mas agora estão quase 40 anos desatualizados. Quando eles afirmarem que o Big Bang foi o começo, você saberá por que a inflação cósmica realmente veio primeiro. Quanto ao que veio antes da última fração de segundo da inflação? Sua hipótese é tão boa quanto a de qualquer um.

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 .

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