Antes do Big Bang

Estudo traça nova proposta para examinar o universo primordial.

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Créditos: Colaboração WMAP.

Por Peter Reuell
Publicado na The Harvard Gazette

A maioria das pessoas está familiarizada com o Big Bang – a ideia de que um universo incrivelmente quente e denso expandiu-se até o que conhecemos hoje. Mas, o que nós sabemos sobre o que veio antes?

Na tentativa de resolver vários quebra-cabeças descobertos sobre as condições iniciais do Big Bang, cientistas têm desenvolvido várias teorias que descrevem o universo primordial. A mais bem sucedida delas – conhecida  como inflação cósmica – descreve como o universo expandiu dramaticamente em uma fração de segundo logo após o Big Bang. Contudo, por mais bem-sucedida que tenha sido a Teoria Inflacionária, as controvérsias levaram a debates ativos ao longo dos anos.

Alguns pesquisadores têm desenvolvido várias teses para explicar os mesmos resultados experimentais que sustentam até agora a Teoria Inflacionária. Em algumas delas, o universo primordial tinha se contraído ao invés de expandir, e o Big Bang foi, na verdade, uma parte de um Big Bounce.

Alguns pesquisadores – incluindo Avi Loeb, o Prof. de Ciência Frank B. Baid Jr. e chefe do Departamento de Astronomia – têm levantando preocupações sobre a Teoria, sugerindo que sua adaptabilidade aparentemente interminável torna tudo impossível de ser testado.

“A presente situação da inflação é que é uma ideia tão flexível… que não pode ser falseada experimentalmente”, disse Loeb. “Não importa o resultado que os observadores meçam, há sempre alguns modelos de inflação que podem explicá-lo”. Portanto, experimentos podem ajudar unicamente a encontrar alguns detalhes do modelo dentro da Teoria da Inflação, mas não podem testar a validade da sua própria estrutura. No entanto, a falseabilidade deve ser uma característica de qualquer teoria científica.

É aqui que Xingang Chen entra.

Xingang Chen é um dos autores de um novo estudo que examina como aparentava o universo antes do Big Bang. Créditos: Jon Cashe.

O antigo professor de Astronomia e seus colaboradores por muito tempo vem desenvolvendo a ideia de usar o que ele chama de “relógio padrão primordial”, como uma sonda do universo primordial. Junto com Loeb e Zhong-Zhi Xianyu, um pós-doutorando no Departamento de Física de Harvard, Chen aplica esta ideia às teorias não-inflacionárias depois que ele soube de um intenso debate em 2017 que questionava se as teorias inflacionárias faziam quaisquer previsões. Em um estudo publicado como sugestão do editor da Physical Review Letters, a equipe apresentou um método que pode ser usado para falsificar experimentalmente a teoria inflacionária.

Em um esforço para encontrar alguma característica que possa separar a inflação de outras teorias, a equipe começou identificando a propriedade definidora das várias teorias – a história evolucionária do tamanho do universo primordial. “Por exemplo, durante a inflação, por definição, o tamanho do universo cresce exponencialmente”, disse Xianyu. “Em algumas teorias alternativas, o tamanho do universo se contrai – em alguns, muito lentamente e em alguns, muito rápido”.

“As variáveis convencionais que as pessoas propuseram até agora têm dificuldade em distinguir essas teorias, porque elas não estão diretamente relacionadas a essa propriedade”, continua ele. “Então, nós queríamos descobrir quais são as variáveis que podem estar ligadas a essa propriedade definidora”.

Os sinais gerados pelo relógio-padrão primordial podem servir a este propósito. Esse relógio, como diz Chen, é qualquer tipo de partícula elementar massivamente pesada no universo energético primordial. Tais partículas devem existir em qualquer teoria, e elas oscilam em alguma frequência regular, muito parecido com o balanço do pêndulo de um relógio.

Flutuações quânticas tornaram-se as sementes da estrutura em larga escala do universo de hoje e umas das principais fontes de informação nas quais os físicos confiam para aprender sobre o que aconteceu antes do Big Bang. A teoria delineada por Chen sugere que os tiques do relógio padrão geraram sinais que foram impressos na estrutura dessas flutuações. E como os relógios-padrão em diferentes universos primordiais deixariam diferentes padrões de sinais, Chen disse, eles podem ser capazes de determinar qual teoria do universo primordial é mais precisa.

“Se nós imaginarmos toda a informação que aprendemos até agora sobre o que ocorreu antes do Big Bang em um rolo de quadro de filmes, então, o relógio padronizado nos diz como esses quadros devem ser reproduzidos”, explicou Chen. “Sem nenhuma informação de relógio, não sabemos se o filme deve ser reproduzido para frente ou para trás, rápido ou lento – assim como não temos certeza se o universo primordial estava inflando ou contraindo, e quão rápido ele fez isso. É aqui que está o problema. O relógio-padrão coloca os carimbos de hora em cada um desses quadros quando o filme foi filmado antes do Big Bang e nos diz do que trata este filme”.

A equipe calculou como esses sinais de relógio-padrão deveriam aparecer em teorias não-inflacionárias e sugeriu como procurá-los em observações astrofísicas. “Se um padrão de sinais representando um universo em contração fosse encontrado, ele falsificaria toda a teoria inflacionária, independentemente de quais modelos detalhados fossem construídos”, disse Xianyu.

O sucesso dessa ideia está na experimentação. “Esses sinais são muito sutis para detectar”, disse Chen. “Nossa proposta é assumirmos que deveria haver algum tipo de campo massivo que gerou essas impressões e computarmos seus padrões, mas não sabemos quão grande é a amplitude total desses sinais. Pode ser que eles sejam muito fracos e muito difíceis de detectar, então, isso significa que teremos que pesquisar em muitos lugares diferentes”.

“A radiação cósmica de fundo de microondas é um lugar”, continuou ele. “A distribuição de galáxias é outra. Já começamos a procurar esses sinais e já existem alguns candidatos interessantes, mas ainda precisamos de mais dados”.

Esta pesquisa foi apoiada com o financiamento da Iniciativa Buraco Negro da Universidade de Harvard e o Centro de Ciências Matemáticas e Aplicações da Universidade de Harvard.

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