• Começa Com Um Estrondo

E se a inflação cósmica estiver errada?

Os primeiros estágios do Universo, antes do Big Bang, são o que estabeleceram as condições iniciais das quais tudo o que vemos hoje evoluiu. Crédito da imagem: E. Siegel, com imagens derivadas da ESA/Planck e da força-tarefa interagências DoE/NASA/NSF em pesquisa CMB.

Um dos cofundadores da inflação ataca a comunidade. Mas existe uma perna científica para se apoiar?

…uma compreensão da árvore infinita de universos parece ser necessária para fazer previsões estatísticas sobre as propriedades do nosso próprio universo, que se supõe ser um ramo típico da árvore. – Alan Guth

Todas as ideias científicas, por mais aceitas ou difundidas que sejam, são suscetíveis de serem derrubadas. Para todos os sucessos que qualquer ideia possa ter, basta um experimento ou observação para falsificá-la, invalidá-la ou exigir que ela seja revisada. Além disso, toda ideia ou modelo científico tem uma limitação em seu alcance de validade: a mecânica newtoniana se decompõe perto da velocidade da luz; A Relatividade Geral se decompõe em singularidades; a evolução se desfaz quando você alcança a origem da vida. Até mesmo o Big Bang tem suas limitações, pois há apenas um ponto em que podemos extrapolar o estado quente, denso e em expansão que deu origem ao que vemos hoje. Desde 1980, a ideia principal para descrever o que veio antes dele foi inflação cósmica , por muitas razões convincentes. Mas recentemente, uma série de declarações públicas mostrou uma controvérsia mais profunda:

• Em fevereiro, um grupo de teóricos, incluindo um dos cofundadores da inflação, alegou que a inflação falhou .
• O grupo dominante de cosmólogos inflacionários, incluindo o inventor da inflação, Alan Guth, escreveu uma réplica .
• Isso levou o grupo original aprofundar mais, denunciando a refutação .
• E no início desta semana, uma grande publicação e um dos co-signatários da refutação destacaram e deram sua perspectiva sobre o debate.

O Universo em expansão, cheio de galáxias e estrutura complexa que vemos hoje, surgiu de um estado menor, mais quente, mais denso e mais uniforme. Crédito da imagem: C. Faucher-Giguère, A. Lidz e L. Hernquist, Science 319, 5859 (47).

Há três coisas acontecendo aqui: os problemas com o Big Bang que levaram ao desenvolvimento da inflação cósmica, a(s) solução(ões) que a inflação cósmica fornece e o comportamento genérico e os desenvolvimentos, consequências e dificuldades subsequentes com a ideia. Isso é suficiente para lançar dúvidas sobre toda a empresa? Vamos colocar tudo para você ver.

Desde que reconhecemos pela primeira vez que existem galáxias além da nossa Via Láctea, todos os indícios nos mostraram que nosso Universo está se expandindo. Como o comprimento de onda da luz é o que determina sua energia e temperatura, o tecido do espaço em expansão estica esses comprimentos de onda para serem maiores, fazendo com que o Universo esfrie. Se o Universo está se expandindo e esfriando à medida que avançamos para o futuro, isso significa que ele estava mais próximo, mais denso e mais quente no passado. À medida que extrapolamos cada vez mais para trás, o Universo quente, denso e uniforme nos conta uma história sobre seu passado.

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. Crédito da imagem: NASA, ESA e A. Feild (STScI).

Chegamos a um ponto em que aglomerados de galáxias, galáxias individuais ou até estrelas não tiveram tempo de se formar devido à influência da gravidade. Podemos ir ainda mais cedo, onde a quantidade de energia nas partículas e radiação torna impossível a formação de átomos neutros; eles seriam imediatamente destruídos. Ainda antes, os núcleos atômicos são destruídos, impedindo a formação de qualquer coisa mais complexa do que um próton ou nêutron. Ainda mais cedo, começamos a criar pares matéria/antimatéria espontaneamente, devido às altas energias presentes. E se você voltar todo o caminho, até onde suas equações podem levá-lo, você chegará a uma singularidade, onde toda a matéria e energia em todo o Universo foram condensadas em um único ponto: um evento singular no espaço-tempo. Essa foi a ideia original do Big Bang.

Se essas três regiões diferentes do espaço nunca tiveram tempo para termalizar, compartilhar informações ou transmitir sinais umas às outras, então por que todas têm a mesma temperatura? Crédito da imagem: E. Siegel.

Se fosse assim que as coisas funcionassem, haveria vários quebra-cabeças com base nas observações que tivemos.

1. Por que o Universo teria a mesma temperatura em todos os lugares? As diferentes regiões do espaço de diferentes direções não teriam tempo para trocar informações e termalizar; não há razão para eles estarem na mesma temperatura. No entanto, o Universo, em todos os lugares que olhávamos, tinha a mesma temperatura de fundo de 2,73 K.
2. Por que o Universo seria perfeitamente plano espacialmente? A taxa de expansão e a densidade de energia são duas quantidades completamente independentes, mas devem ser iguais a uma parte em 1024 para produzir o Universo plano que temos hoje.
3. Por que não há sobras de relíquias de alta energia, como praticamente todas as teorias de alta energia prevêem? Não há monopolos magnéticos, neutrinos destros pesados, relíquias da grande unificação, etc. Por que não?

Em 1979, Alan Guth teve a ideia de que uma fase inicial de expansão exponencial precedente o Big Bang quente poderia resolver todos esses problemas e faria previsões adicionais sobre o Universo que poderíamos procurar. Essa foi a grande ideia da inflação cósmica.

Em 1979, Alan Guth teve a revelação de que um período de expansão exponencial no passado do Universo poderia se configurar e fornecer as condições iniciais para o Big Bang. Crédito da imagem: caderno de 1979 de Alan Guth, twittado via @SLAClab.

Esse tipo de expansão, a expansão exponencial, é diferente do que aconteceu na maior parte da história do Universo. Quando seu Universo está cheio de matéria e radiação, a densidade de energia cai à medida que o Universo se expande. À medida que o volume se expande, a densidade diminui e, portanto, a taxa de expansão também diminui. Mas durante a inflação, o Universo é preenchido com energia inerente ao próprio espaço, então, à medida que o Universo se expande, ele simplesmente cria mais espaço, e isso mantém a densidade a mesma e evita que a taxa de expansão diminua. Isso, de uma só vez, resolve os três quebra-cabeças da seguinte forma:

1. O Universo tem a mesma temperatura em todos os lugares hoje porque regiões distantes e díspares já foram conectadas no passado distante, antes que a expansão exponencial as separasse.
2. O Universo é plano porque a inflação o esticou para ser indistinguível do plano; a parte do Universo que é observável para nós é tão pequena em relação a quanta inflação a esticou que é improvável que seja de outra maneira.
3. E a razão pela qual não há relíquias de alta energia é porque a inflação as afastou através da expansão exponencial e, quando a inflação terminou e o Universo esquentou novamente, nunca atingiu as temperaturas ultra-altas necessárias para criá-las novamente.

No início da década de 1980, não apenas a inflação resolveu esses quebra-cabeças, mas também começamos a criar modelos que recuperavam com sucesso um Universo isotrópico (o mesmo em todas as direções) e homogêneo (o mesmo em todas as localizações), consistente com todas as nossas observações.

As flutuações no Fundo de Microondas Cósmicas foram primeiro medidas com precisão pelo COBE na década de 1990, depois com mais precisão pelo WMAP na década de 2000 e pelo Planck (acima) na década de 2010. Esta imagem codifica uma enorme quantidade de informações sobre o Universo primitivo. Crédito da imagem: ESA e a Colaboração Planck.

Essas previsões são interessantes, mas não suficientes, é claro. Para que uma teoria física passe de interessante a convincente e validada, ela precisa fazer novas previsões que possam ser testadas. É importante não encobrir o fato de que esses primeiros modelos de inflação fizeram exatamente isso, fazendo seis previsões importantes :

1. O Universo deve ser perfeitamente plano . Sim, essa foi uma das motivações originais para isso, mas na época, tínhamos restrições muito fracas. 100% do Universo poderia estar em matéria e 0% em curvatura; 5% podem ser matéria e 95% podem ser curvatura, ou qualquer outro ponto intermediário. A inflação, muito genericamente, previa que 100% precisava ser matéria mais qualquer outra coisa, mas a curvatura deveria ser 0%. Esta previsão foi validada pelo nosso modelo ΛCDM, onde 5% é matéria, 27% é matéria escura e 68% é energia escura; curvatura ainda é 0%.
2. Deve haver um quase espectro de flutuações de escala invariável . Se a física quântica é real, então o Universo deveria ter experimentado flutuações quânticas mesmo durante a inflação. Essas flutuações devem ser estendidas, exponencialmente, por todo o Universo. Quando a inflação terminar, essas flutuações devem se transformar em matéria e radiação, dando origem a regiões superdensas e subdensas que se transformam em estrelas e galáxias, ou grandes vazios cósmicos. Por causa de como a inflação se processa nos estágios finais, as flutuações devem ser ligeiramente maiores em escalas pequenas ou grandes, dependendo do modelo de inflação. Para invariância de escala perfeita, um parâmetro que chamamos n_s seria igual a 1 exatamente; n_s é de 0,96.
3. Deve haver flutuações em escalas maiores do que a luz poderia ter viajado desde o Big Bang . Essa é outra consequência da inflação, mas não há como obter um conjunto coerente de flutuações em grandes escalas como essa sem que algo as estenda por distâncias cósmicas. O fato de vermos essas flutuações no fundo cósmico de micro-ondas e na estrutura em grande escala do Universo – e não sabíamos sobre elas no início dos anos 80 – valida ainda mais a inflação.
4. Essas flutuações quânticas, que se traduzem em flutuações de densidade, devem ser adiabáticas . As flutuações podem ter vindo de diferentes tipos: adiabáticas, isocurvaturas ou uma mistura das duas. A inflação previu que essas flutuações deveriam ter sido 100% adiabáticas, o que deveria deixar assinaturas únicas tanto no fundo cósmico de micro-ondas quanto na estrutura em grande escala do Universo. Observações confirmam que sim, de fato, as flutuações eram adiabáticas: de entropia constante em todos os lugares.
5. Deve haver um limite superior, menor que a escala de Planck, para a temperatura do Universo no passado distante . Esta também é uma assinatura que aparece no fundo cósmico de micro-ondas: quão alta a temperatura que o Universo atingiu em seu ponto mais quente. Lembre-se, se não houvesse inflação, o Universo deveria ter atingido temperaturas arbitrariamente altas nos primeiros tempos, aproximando-se de uma singularidade. Mas com a inflação, há uma temperatura máxima que deve estar em energias inferiores à escala de Planck (~1019 GeV). O que vemos, a partir de nossas observações, é que o Universo atingiu temperaturas não superiores a cerca de 0,1% disso (~1016GeV) em qualquer ponto, confirmando ainda mais a inflação.
6. E, finalmente, deve haver um conjunto de ondas gravitacionais primordiais, com um espectro particular . Assim como tínhamos um espectro quase perfeitamente invariante de escala de flutuações de densidade, a inflação prevê um espectro de flutuações de tensores na Relatividade Geral, que se traduz em ondas gravitacionais. A magnitude dessas flutuações depende do modelo da inflação, mas o espectro tem um conjunto de previsões únicas. Esta sexta previsão é o único que não foi verificado observacionalmente.

A previsão final da inflação cósmica é a existência de ondas gravitacionais primordiais. É a única previsão a não ser verificada por observação... ainda. Crédito da imagem: National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, relacionado) — Programa BICEP2 financiado; modificações por E. Siegel.

Assim, a inflação tem um tremendo número de sucessos em seu nome. Mas desde o final da década de 1980, os teóricos passaram muito tempo elaborando uma variedade de modelos inflacionários. Eles encontraram um comportamento incrivelmente estranho e não genérico em alguns deles, incluindo exceções que quebram algumas das regras preditivas acima. Em geral, os modelos inflacionários mais simples são baseados em um potencial: você desenha uma linha com um vale ou poço no fundo, o campo inflacionário começa em algum ponto longe desse fundo e desce lentamente em direção ao fundo, resultando em inflação até que se estabeleça em seu mínimo. Os efeitos quânticos desempenham um papel no campo, mas, eventualmente, a inflação termina, convertendo a energia desse campo em matéria e radiação, resultando no Big Bang.

O Universo que vemos hoje é baseado nas condições iniciais com as quais começou, que são ditadas, preditivamente, por qual modelo de inflação cósmica você escolhe. Crédito da imagem: Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Mas você pode fazer modelos de vários campos, modelos de rolagem rápida em vez de modelos de rolagem lenta, modelos artificiais que têm grandes desvios da planicidade e assim por diante. Em outras palavras, se você puder tornar os modelos tão complexos quanto desejar, poderá encontrar um que dê desvios do comportamento genérico descrito acima, às vezes resultando em desvios de uma ou mais dessas seis previsões.

As oscilações do CMB são baseadas em oscilações primordiais produzidas pela inflação. Em particular, a “parte plana” em grandes escalas (à esquerda) não tem explicação sem inflação. Crédito da imagem: NASA / WMAP Science Team.

É disso que se trata a controvérsia atual! Um lado chega ao ponto de afirmar que, como você pode inventar modelos que podem dar a você um comportamento quase arbitrário, a inflação não consegue atingir o padrão de uma teoria científica. O outro lado afirma que a inflação faz essas previsões genéricas e bem-sucedidas, e que quanto melhor medimos esses parâmetros do Universo, mais limitamos quais modelos são viáveis ​​e mais próximos chegamos de entender qual(is) melhor descreve nosso físico. realidade.

A forma das flutuações das ondas gravitacionais é indiscutível da inflação, mas a magnitude do espectro é inteiramente dependente do modelo. Medir isso encerrará o debate sobre a inflação, mas se a magnitude for muito baixa para ser detectada nos próximos 25 anos, o argumento pode nunca ser resolvido. Crédito da imagem: Equipe de ciência do Planck.

Os fatos que ninguém contesta são que sem inflação, ou algo muito parecido com a inflação (esticando o Universo plano, impedindo-o de atingir altas energias, criando as flutuações de densidade que vemos hoje, fazendo com que o Universo comece com as mesmas temperaturas em todos os lugares, etc.), não há explicação para as condições iniciais com as quais o Universo começa. As alternativas à inflação têm esse obstáculo a ser superado, e neste momento não há alternativa que tenha demonstrado o mesmo poder preditivo que o paradigma inflacionário traz. Isso não significa que a inflação esteja necessariamente certa, mas com certeza há muitas boas evidências para isso, e muitos dos possíveis modelos que podem ser inventados já foram descartados. Até que um modelo alternativo possa alcançar todos os sucessos da inflação, a inflação cósmica continuará sendo a principal ideia de onde veio nosso Big Bang quente.

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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