Por que nosso universo não é perfeitamente liso?
As estrelas e galáxias que vemos hoje nem sempre existiram, e quanto mais recuamos, mais próximo de perfeitamente liso o Universo fica, mas há um limite para a suavidade que poderia ter alcançado, caso contrário não teríamos nenhum estrutura em tudo hoje. Para explicar tudo, precisamos de uma modificação no Big Bang: inflação cosmológica. (NASA, ESA e A. Feild (STScI))
Se fosse, não estaríamos aqui. Mas há uma resposta científica que foi espetacularmente confirmada.
Quando examinamos nosso Universo, olhando para os planetas, estrelas, galáxias e vastos vazios cósmicos que os separam, liso não é exatamente a primeira palavra que vem à mente. A enorme teia cósmica é uma das coisas mais aglomeradas imagináveis no Universo, com um planeta como a Terra cerca de 1030 vezes mais denso que a média. No entanto, o Universo nem sempre foi tão grumoso, ou não teria evoluído para aparecer da maneira que o vemos hoje. Tinha que ter nascido quase perfeitamente liso, onde as imperfeições eram apenas algumas partes em 100.000, ou não teria levado centenas de milhões de anos para formar as primeiras galáxias. No entanto, essas pequenas imperfeições eram vitais, ou não teríamos formado a estrutura que vemos hoje! Depois de séculos sem entender como isso aconteceu, uma das teorias mais controversas da cosmologia, a inflação, forneceu a resposta. E agora que nossas medições alcançaram uma precisão sem precedentes, suas previsões se confirmam espetacularmente.
Uma história visual do Universo em expansão inclui o estado quente e denso conhecido como Big Bang e o crescimento e formação da estrutura subsequente. No entanto, para obter a estrutura que vemos hoje, o Universo não poderia ter nascido perfeitamente liso. (NASA / CXC / M. Weiss)
De acordo com a inflação cósmica, o Big Bang quente não foi o início do espaço e do tempo, mas foi apenas um estado inicial quente, denso e em rápida expansão. Foi a inflação cósmica, uma fase em que o Universo era dominado não pela matéria e radiação, mas pela energia inerente ao próprio espaço, que deu origem ao Big Bang. Esta fase inflacionária foi caracterizada por uma expansão exponencial do espaço, onde o Universo dobrou, depois quadruplicou, depois octuplicou (etc.) de tamanho com o passar do tempo. Depois de apenas 10 a 33 segundos, uma região do tamanho de uma corda teórica da teoria das cordas teria sido esticada para uma escala maior do que o Universo observável é hoje. Em outras palavras, a inflação cósmica pega o que existia antes e o esticou realmente, verdadeiramente e perfeitamente plano e liso.
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 tem alguma curvatura, ele tem um raio de curvatura centenas de vezes maior do que podemos observar. (E. Siegel (L); Tutorial de cosmologia de Ned Wright (R))
Isso parece, à primeira vista, representar um tremendo problema. Se a inflação estica o espaço para ser plano, uniforme e liso, indistinguivelmente da perfeição, então como chegamos a um Universo aglomerado hoje? Tanto a teoria da gravidade de Newton quanto a de Einstein são instáveis contra as imperfeições, o que significa que se você começar com um Universo quase, mas não perfeitamente liso, com o tempo, as imperfeições crescerão e você terminará com estrutura. Mas se você começar com suavidade perfeita, literalmente sem imperfeições, você permanecerá suave para sempre. No entanto, isso não combina com o Universo que observamos; devia ter nascido com imperfeições em sua densidade de matéria.
Um mapa do padrão de aglomeração/agrupamento que as galáxias em nosso Universo exibem hoje. O requisito para chegar lá são imperfeições iniciais na densidade de matéria/energia. (Greg Bacon/STScI/NASA Goddard Space Flight Center)
Este quadro ingênuo da inflação deve, portanto, ser incompleto. Tem que haver alguma maneira de gerar essas imperfeições, caso contrário o Universo não existiria da maneira como o vemos. Mas uma propriedade importante do Universo e da inflação vem em socorro da forma mais espetacular. Veja bem, o espaço vazio em si não é perfeitamente plano e liso por si só, mas, em escalas menores, exibe flutuações quânticas.
Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. Mesmo no espaço vazio, essa energia do vácuo é diferente de zero. (Derek Leinweber)
Isso pode ser visto de várias maneiras: uma incerteza inerente à energia do próprio espaço; como flutuações de vácuo; ou como conjuntos de pares partícula-antipartícula surgindo e desaparecendo. Mas, independentemente de como você o vê, uma coisa permanece clara: se você representar graficamente a densidade de energia do Universo e olhá-lo em escalas extremamente pequenas e granulares, verá que não é uniforme e constante no espaço ou tempo, mesmo se você removesse toda a matéria e radiação dele. Existem flutuações quânticas inerentes ao próprio tecido do espaço.
Uma ilustração do Universo primitivo como consistindo de espuma quântica, onde as flutuações quânticas são grandes, variadas e importantes nas menores escalas. (NASA/CXC/M.Weiss)
Normalmente, essas flutuações se cancelam, em média, e então você acaba com uma pequena energia de ponto zero que é positiva inerente ao próprio espaço. Mas durante a inflação, essas flutuações quânticas não têm a oportunidade de se equilibrar, porque o próprio espaço está se expandindo a essa taxa exponencial!
Em vez disso, o que acontece é que essas flutuações se estendem por todo o Universo e, portanto, a ideia de uma flutuação quântica não está mais restrita a uma escala muito pequena. Em escalas de tempo que duram apenas uma pequena fração de segundo, esses efeitos quânticos podem ser esticados para serem flutuações de energia em escalas estelares, galácticas ou até mesmo do Universo!
As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação de fato se estendem por todo o Universo, mas também causam flutuações na densidade total de energia, deixando-nos com alguma quantidade diferente de zero de curvatura espacial restante no Universo hoje. 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)
À medida que a inflação continua, novas flutuações em escala quântica são criadas, resultando em flutuações adicionais de menor escala sobrepostas às de maior escala. Isso continua, criando um padrão de flutuações e regiões aleatórias de todos os tamanhos que têm densidades de energia superdensas e subdensas, enquanto a inflação continuar.
Então, após um período de tempo indeterminado, a inflação chega ao fim. E quando isso ocorre, toda essa energia inerente ao próprio espaço é convertida em matéria, antimatéria e radiação. Quando a inflação termina, o Big Bang quente começa e o Universo fica cheio de coisas.
A analogia de uma bola deslizando sobre uma superfície alta é quando a inflação persiste, enquanto a estrutura desmoronando e liberando energia representa a conversão de energia em partículas. (E. Siegel)
Mas nas regiões que inicialmente eram superdensas em termos de energia, devido a essas flutuações quânticas durante a inflação, um pouco mais de matéria, antimatéria e radiação do que a média passará a existir nesses lugares. Em regiões que eram subdensas, um pouco menos do que a média de matéria, antimatéria e radiação passarão a existir lá. E esse espectro sobre superdensidades e subdensidades deve resultar em regiões um pouco mais frias e mais quentes, em termos de temperatura, no Universo como resultado.
Regiões do espaço que são um pouco mais densas que a média criarão poços de potencial gravitacional maiores para sair, o que significa que a luz que surge dessas regiões parece mais fria quando chega aos nossos olhos. Vice-versa, regiões subdensas parecerão pontos quentes, enquanto regiões com densidade perfeitamente média terão temperaturas perfeitamente médias. (E. Siegel / Além da Galáxia)
Depois que o Universo existe há algum tempo, expandindo e esfriando, a gravitação começa a funcionar. Isso aumenta as flutuações que existiam em qualquer direção em que se afastassem da média. As regiões ligeiramente mais quentes, sendo subdensas, cederão mais facilmente sua matéria para regiões mais densas. As regiões mais frias, sendo superdensas, atrairão preferencialmente a matéria com mais eficiência do que as regiões subdensas ou de densidade média.
Há um equilíbrio intrincado entre a gravitação, que funciona para atrair tudo de acordo com a lógica acima, e a radiação, que pressiona as regiões que se tornam muito densas rapidamente. É essa interação de forças, entre gravitação, radiação e as flutuações iniciais da inflação, que dão origem aos solavancos, oscilações e imperfeições que vemos no fundo cósmico de micro-ondas.
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, e ainda assim a magnitude das flutuações restringe as escalas máximas de energia que o Universo atingiu no final da inflação. É muito inferior à escala de Planck. (Equipe Científica da NASA / WMAP)
As flutuações iniciais, em média, devem ter um valor médio de 1 parte em 30.000 ou mais, que é como chegamos às flutuações que observamos no brilho remanescente do Big Bang. Essas flutuações então crescem, depois que o Universo se torna neutro e a radiação para de se espalhar de elétrons, para produzir a estrutura em grande escala que vemos no Universo hoje. Com o tempo, isso leva ao crescimento gravitacional em estrelas, galáxias, aglomerados e os grandes vazios cósmicos que os separam.
Um olhar detalhado sobre o Universo revela que ele é feito de matéria e não de antimatéria, que a matéria escura e a energia escura são necessárias e que não sabemos a origem de nenhum desses mistérios. No entanto, as flutuações na CMB, a formação e as correlações entre a estrutura em grande escala e as observações modernas de lentes gravitacionais apontam para a mesma imagem, originada da inflação cósmica. (Chris Blake e Sam Moorfield)
Se o Universo nascesse perfeitamente liso, não haveria como obter a estrutura detalhada, tanto em grandes quanto em pequenas escalas, que temos hoje. Nossas observações exigem que, de alguma forma, existam flutuações da mesma magnitude em todas as escalas, e que o Universo precisou nascer assim. Quando a inflação foi teorizada pela primeira vez no final da década de 1970 e início da década de 1980, não havia como saber como essas flutuações ocorreriam; esta foi uma previsão que a inflação fez que não seria verificada por décadas! No entanto, a confirmação aqui é espetacular, pois nenhuma outra teoria tem uma maneira de gerar essas flutuações, e as observações corresponderam ao que a inflação previu de maneira perfeita e incontroversa, quando satélites como COBE, WMAP e, mais recentemente, Planck, retornaram seus dados.
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. (E. Siegel, com imagens derivadas da ESA/Planck e da força-tarefa interagências DoE/NASA/NSF em pesquisa CMB)
O resultado é uma história tão convincente e de acordo com os dados que praticamente não há alternativa. A inflação não é apenas o que aconteceu para configurar o Big Bang ou resolver uma série de problemas que sabíamos de antemão; fez previsões quantitativas sobre o que poderíamos esperar que existisse no Universo, desde os primeiros tempos até os modernos, e as observações confirmaram isso. A inflação, e sua natureza quântica, é a razão pela qual o Universo não é perfeitamente liso hoje, e isso é uma coisa muito boa. Sem ela, nunca seria possível existirmos.
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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