Começa Com Um Estrondo

Por que o universo provavelmente não tem a forma de um donut

Em um modelo hipertoro do Universo, o movimento em linha reta o levará de volta à sua localização original, mesmo em um espaço-tempo não curvo (plano). Essa topologia multiplamente conectada pode ser revelada através de observações do CMB, se o tamanho do toro não for muito maior que o tamanho do horizonte cósmico. (ESO / J. Law)

Apesar das manchetes recentes, é uma proposta extraordinariamente improvável.

Alguma vez você já se perguntou, se fosse possível viajar pelo espaço tão rápido quanto você poderia imaginar, se um dia você não retornaria ao seu ponto de partida original? Aqui na Terra, se você pudesse andar em linha reta por cerca de 40.000 quilômetros, ignorando obstáculos como oceanos e montanhas, você retornaria ao seu ponto de partida. A Terra, indistinguível de plana na escala de seu próprio quintal, é finita em extensão e também simplesmente conectado , o que significa que qualquer loop que você desenhar nele pode ser reduzido a um único ponto.

O Universo, nas escalas que podemos observá-lo, também parece indistinguível de plano: não detectamos nenhum traço de curvatura espacial mesmo nas maiores escalas cósmicas que podemos acessar. É possível que o Universo real, além dos limites do que podemos observar, permaneça plano e se estenda arbitrariamente – talvez até infinitamente – em todas as direções. Mas também é possível que lá fora, além dos limites do que vemos, o Universo seja finito, seja curvo em grande escala e simplesmente conectado ou mesmo plano, mas parte de um multiplique conectado , espaço tipo rosquinha.

É um ideia fascinante , aquele que apenas teve uma nova vida soprada nele . Mas é realmente apoiado por evidências científicas? Aqui está o que sabemos hoje.

Durante os primeiros estágios do Universo, um período inflacionário se instalou e deu origem ao Big Bang quente. Hoje, bilhões de anos depois, a energia escura está fazendo com que a expansão do Universo acelere. Esses dois fenômenos têm muitas coisas em comum e podem até estar conectados, possivelmente relacionados através da dinâmica dos buracos negros. (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, E L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

O Universo, como o vemos hoje, nos apresenta uma série de pistas sobre sua história passada. As galáxias que vemos no céu noturno estão cheias de estrelas próprias, localizadas a milhões ou mesmo bilhões de anos-luz de distância; a Via Láctea é uma das talvez 2 trilhões de galáxias que somos capazes de observar. Quanto mais distantes essas galáxias estão de nós, maior a quantidade de luz desviada para comprimentos de onda mais longos e mais vermelhos. Isso nos ensina – combinado com a Relatividade Geral de Einstein – que o Universo está se expandindo hoje e, portanto, deveria ter sido mais denso, mais quente e mais uniforme no passado.

Extrapolando para trás, você pode imaginar uma época em que as coisas eram tão densas e tão quentes que sempre que um elétron e um núcleo atômico se encontravam, eles tentavam formar um átomo neutro, mas esse sucesso duraria muito pouco. Quase imediatamente, outra partícula ou fóton viria com energia suficiente para expulsar o elétron daquele átomo, ionizando-o novamente. É somente quando o Universo esfria o suficiente que os fótons restantes não têm energia suficiente para ionizar esses átomos que recebemos nosso primeiro sinal de luz do Universo: o brilho remanescente do Big Bang, visível hoje como o fundo cósmico de micro-ondas (CMB).

Um universo onde elétrons e prótons são livres e colidem com fótons transita para um neutro que é transparente para fótons à medida que o universo se expande e esfria. Mostrado aqui é o plasma ionizado (L) antes que o CMB seja emitido, seguido pela transição para um Universo neutro (R) que é transparente aos fótons. A luz, uma vez que para de se espalhar, simplesmente flui livremente e desvia para o vermelho à medida que o Universo se expande, eventualmente terminando na porção de micro-ondas do espectro. (AMANDA YOHO)

Quando vemos esse brilho, o vemos de forma omnidirecional: ele vem não importa para onde olhemos no espaço. Mesmo que a temperatura seja baixa hoje, em apenas 2.725 K, é incrivelmente uniforme, com pontos quentes e pontos frios diferindo da temperatura média por apenas ~ 100 microkelvin ou mais: cerca de 1 parte em 30.000. E também podemos examinar os detalhes de regiões de tamanhos diferentes, para determinar se existem escalas acima das quais as flutuações de temperatura deixam de existir repentinamente.

Por que haveria tal escala?

Bem, por um lado, porque a velocidade da luz é finita. Se o Universo começou em um instante no momento do Big Bang, mesmo que esteja se expandindo desde então, deveria haver uma escala limitante - particularmente no passado do Universo - onde nenhum sinal, mesmo viajando no limite de velocidade cósmica, poderia chegaram de uma região a outra. Esperávamos que pudesse haver um corte em quão grande é a escala em que vemos essas flutuações de temperatura: a escala do horizonte cósmico. Acima dessa escala, o Universo não deveria ter essas flutuações coerentes; você esperaria que não houvesse flutuações no super-horizonte.

Os melhores e mais recentes dados de polarização do fundo de microondas cósmico vêm do Planck e podem medir diferenças de temperatura tão pequenas quanto 0,4 microKelvin. Os dados de polarização indicam fortemente a presença e existência de flutuações no super-horizonte, algo que não pode ser contabilizado em um Universo sem inflação. (ESA E A COLABORAÇÃO PLANCK (PLANCK 2018))

É claro que existem flutuações no super-horizonte, conforme confirmado pelos dados de polarização do CMB: primeiro pelo WMAP e depois (e com maior precisão) pelo Planck. Este é um dos grandes peças de evidência observacional apoiando a inflação cósmica e desfavorecendo a ideia de que o Big Bang representa uma origem singular para o nosso Universo.

Outra coisa codificada no CMB - nas flutuações de temperatura, em vez dos dados de polarização - é como a magnitude das flutuações, ou as diferenças entre os pontos quentes/frios e a temperatura média, mudam em função do tamanho angular.

Você pode imaginar colocar um círculo de um tamanho específico sobre um mapa da CMB e tomar a temperatura média dentro desse círculo. Em escalas angulares menores, você tem muitas, muitas regiões para amostrar; em grandes escalas angulares, você tem apenas alguns. A geometria do Universo determina se essas flutuações parecem ser:

seu tamanho real,
menor do que seu tamanho real,
ou maior que seu tamanho real,

depende da curvatura do espaço. Para o melhor de nossas medições precisas, o que significa uma precisão melhor do que 1 parte em 250, todo o Universo observável é indistinguível de espacialmente plano.

As magnitudes dos pontos quentes e frios, bem como suas escalas, indicam a curvatura do Universo. Para o melhor de nossas capacidades, medimos para ser perfeitamente plano. As oscilações acústicas bariônicas e o CMB, juntos, fornecem os melhores métodos para restringir isso, até uma precisão combinada de 0,4%. Para esta precisão, o Universo é perfeitamente plano, de acordo com a inflação cósmica. (GRUPO DE COSMOLOGIA SMOOT / LBL)

Isso nos deixa com algumas possibilidades para o que realmente está acontecendo com o Universo. Eles são os seguintes:

O Universo é perfeitamente plano espacialmente e nunca volta a si mesmo ou se reconecta; é plano e infinito em extensão.
O Universo é realmente curvo – positivamente como uma esfera (de dimensão superior) ou negativamente como a sela de um cavalo – mas a escala de sua curvatura é tão grande, pelo menos centenas de vezes a escala observável por nós, que parece indistinguível de plana.
Ou o Universo é perfeitamente plano espacialmente, mas tem uma topologia não trivial e multiconectada. É finito em extensão, mas parece plano em todos os lugares que olhamos.

Essa última possibilidade é exótica, mas vale a pena considerar porque poderia levar a efeitos observáveis. Um teste seria sondar os padrões de flutuação no CMB para procurar sinais que pudessem identificar padrões de temperatura em um local com os mesmos padrões em outros lugares. Se o Universo voltasse a si mesmo, onde viajar longe o suficiente em uma direção o levaria de volta ao seu ponto de partida, esses padrões repetidos apareceriam no CMB se o tamanho do Universo fosse menor que a escala do horizonte cósmico.

À medida que nossos satélites melhoraram suas capacidades, eles sondaram escalas menores, mais bandas de frequência e diferenças de temperatura menores no fundo cósmico de micro-ondas. As imperfeições de temperatura ajudam a nos ensinar do que o Universo é feito e como ele evoluiu, mas o primeiro ponto de dados é um quebra-cabeça: definitivamente mais baixo do que esperávamos. (NASA/ESA E AS EQUIPES COBE, WMAP E PLANCK; RESULTADOS PLANCK 2018. VI. PARÂMETROS COSMOLÓGICOS; COLABORAÇÃO PLANCK (2018))

Procuramos por esses recursos e eles não existem. Se o Universo voltar a si mesmo, isso acontece em escalas cósmicas maiores do que as que podemos observar. Mas esse não é o fim da linha para esta opção, porque pode haver uma relação entre a geometria do Universo e as escalas – escalas acima do horizonte cósmico inicial – nas quais ocorrem flutuações de temperatura.

De acordo com a inflação, o Universo deveria ter sido semeado com flutuações de temperatura em todas as escalas cósmicas, e a magnitude dessas flutuações deveria ser quase perfeitamente a mesma em todas as escalas cósmicas. Escalas menores terão tempo para experimentar os efeitos da gravitação, da pressão de radiação e das colisões entre fótons e matéria normal, enquanto escalas maiores não. Isso significa que esperamos ver, em pequenas escalas, uma série de picos e vales, mas em grandes escalas, o espectro de flutuações de temperatura deve ser constante.

No entanto, há uma pequena discrepância entre o que ingenuamente esperamos que o Universo seja em comparação com o que realmente vemos, e é nisso que precisamos prestar atenção.

Espera-se que as flutuações no brilho remanescente do Big Bang, o Fundo de Microondas Cósmica, sigam uma certa distribuição de magnitude que depende da escala. Os dois primeiros momentos multipolares, l=2 e l=3 (mostrados aqui), são de magnitude muito baixa em comparação com o previsto, mas há muito poucos dados estatísticos para realmente saber o porquê. (CHIANG LUNG-YIH)

Na muito, muito maior das escalas cósmicas, em escalas angulares de 60° ou mais, descobrimos que as flutuações de temperatura – a quantidade que as temperaturas reais no Universo se desviam dessa média de 2,725 K – são realmente menores do que esperamos. Em vez de se desviar da média em ~ 100 microkelvin ou mais, eles apenas se desviam em torno de ~ 20 a 30 microkelvin, um valor muito pequeno. É tão pequeno que, há algum tempo, leva astrônomos e astrofísicos a questionar se há uma razão física por trás disso.

Pode não haver um, é claro. As previsões que fazemos para o que devemos observar são apenas previsões estatísticas: se tivéssemos um número infinito de Universos criados pelos processos que achamos que criaram os nossos, sabemos o que esperaríamos observar. No entanto, temos apenas um Universo para observar e, nas maiores escalas cósmicas, onde temos o menor número de regiões independentes, simplesmente conseguimos o que conseguimos. As chances de acabar com um Universo onde as maiores escalas angulares têm flutuações de temperatura tão minúsculas quanto as nossas são baixas, mas não absurdamente assim: cerca de 1 em 800, ou um pouco melhor que 0,1%.

Ilustração de Leonardo da Vinci de um dodecaedro, de 1509. Com 12 faces pentagonais idênticas, o dodecaedro é um dos cinco sólidos platônicos: objetos geométricos com ângulos iguais em cada vértice onde cada face é um polígono regular. Ao considerar essas topologias exóticas para o nosso Universo, podemos descobrir uma verdade fundamental sobre a realidade que a maioria de nós nunca antecipou. (Biblioteca de Imagens de Ciência e Sociedade/SSPL/Imagens Getty)

Com estatísticas tão baixas para amostrar, é praticamente impossível tirar conclusões definitivas sobre por que o Universo tem essas propriedades específicas. Ainda assim, vale a pena considerar se pode haver um mecanismo físico que faça com que essas grandes escalas angulares tenham flutuações de temperatura tão pequenas. Em 2003, uma equipe de pesquisa liderado por Jean-Pierre Luminet descobriu uma possibilidade brilhante: que se o Universo, em vez de ser liso, tivesse o (topologicamente) forma de um dodecaedro — um poliedro regular de 12 lados — poderia suprimir as flutuações de temperatura que apareceram nas maiores escalas cósmicas .

Embora algumas outras previsões desse modelo não tenham dado certo, ele trouxe uma linha de pensamento anteriormente obscura para o mainstream: que se o Universo não estiver simplesmente conectado, qualquer círculo que você desenhou poderia ser reduzido a um ponto, mas multiplamente conectadas, onde alguns círculos não poderiam ser encolhidos além de um certo comprimento, o que poderia suprimir as flutuações de temperatura na maior das escalas cósmicas.

E qual é o exemplo mais simples de um espaço tridimensional plano, multi-conectado? Um toro, cuja forma mais comumente lembra uma rosquinha: do tipo com um buraco no centro.

Uma visualização de um modelo de espaço de 3 toros, onde nosso Universo observável poderia ser apenas uma pequena porção da estrutura geral. Observe que a própria superfície do toro é o que corresponde ao espaço, reduzido em dimensionalidade para fins de visualização. Não é o interior do toro que interessa aqui. (BRYAN BRANDENBURG)

É exatamente isso que o último estudo é sobre isso está provocando as manchetes recentes: o renascimento de uma ideia de 18 anos em uma encarnação ligeiramente diferente. Assim como a ideia de que o Universo poderia ter a topologia de um dodecaedro, a ideia de que o Universo tem a topologia de um donut traz implicações para o que devemos observar, mas essas também são apenas implicações em um sentido estatístico. Dependendo do tamanho do donut/torus, particularmente se for apenas um pouco maior do que a parte observável do nosso Universo, suas previsões são um pouco mais consistentes com nossas observações do que um Universo plano e simplesmente conectado que requer essa probabilidade de ~ 0,1%. ter sido realizado espontaneamente.

Como explica a potência suprimida nessas grandes escalas angulares, a ideia definitivamente vale a pena ficar de olho. No entanto, isso viola a regra fundamental de uma nova ideia teórica convincente: você não deve invocar um novo parâmetro para explicar melhor uma observação imprevista. Na física teórica, exigimos poder preditivo. Se você vai adicionar um novo ingrediente ao seu universo, é melhor:

reproduzir todos os sucessos da velha teoria,
explicar as observações que a velha teoria não podia,
e fazer novas previsões testáveis que diferem das previsões da velha teoria.

Complementos que se dobram em um novo parâmetro para dar conta de um novo observável custam um centavo, infelizmente, e isso é tudo que essa nova proposta faz.

O CMB simulado para um Universo de 3 toros com três vezes o raio do nosso Universo observável. Este mapa concorda com o espectro de flutuações observado tão bem, e talvez até um pouco melhor, do que o modelo cosmológico padrão. No entanto, não oferece poder preditivo adicional. (R. AURICH ET AL., ARXIV: 2106.13205)

O verdadeiro problema com o Universo é que há apenas um para observar, ou pelo menos, apenas um que somos capazes de observar. Não temos uma grande amostra de Universos para comparar e não temos um grande conjunto de pontos de dados disponíveis para nós em nosso Universo. É como jogar cinco dados, juntos, uma vez. Suas chances de obter todos os seis são pequenas: cerca de 1 em 7.800. No entanto, se você jogasse cinco dados de uma vez e visse todos os seis, você não concluiria necessariamente que era algo mais do que um acaso aleatório. Às vezes, a natureza simplesmente não lhe dá o resultado mais provável.

É possível que os fótons remanescentes do Big Bang, que chegam até nós hoje como um instantâneo de 13,8 bilhões de anos atrás, realmente sejam o resultado da expansão de um Universo em forma de rosquinha, um pouco maior do que os limites observacionais do que percebemos hoje. Mas a única evidência que temos para apoiar esse cenário não é particularmente convincente e não pode descartar a hipótese nula: que vivemos em um universo indistinguível de plano, simplesmente conectado e sem quaisquer traços topológicos extravagantes. A menos que encontremos uma maneira de extrair mais informações do nosso Universo - e já puxamos tudo fora do fundo cósmico de microondas que podemos, até os limites de nossas observações - talvez nunca sejamos capazes de discriminar significativamente entre essas duas possibilidades.