Novo modelo do cosmos: um universo que começa novamente

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Em março de 2014, o telescópio de microondas BICEP2 no Polo Sul detectou redemoinhos que foram erroneamente confundidos com a marca de ondas gravitacionais. Crédito de imagem: Keith Vanderlinde.

Artigo de Cosmos Magazine. Autor: Michael D. Lemoni.

Em 17 de Março de 2014, o Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica realizou uma conferência de imprensa para anunciar “uma grande descoberta”. Não era um exagero. Uma equipe de astrofísicos detectaram evidências de ondas gravitacionais de uma época em que o universo era quase indescritivelmente jovem.

Essa era a mais poderosa confirmação nesses 30 anos de teoria da inflação, que explica por que o cosmo é como o vemos. A distribuição de galáxias, as proporções relativas de matéria comum e matéria escura, a curvatura do espaço-tempo, o fato de que o cosmos parece essencialmente o mesmo, não importa para onde você olhar – tudo isso pode ser compreendido se você assumir que todo o universo visível se expandiu no breve intervalo onde algo do tamanho aproximado de um próton aumentou para algo do tamanho de um toranja mais rápido do que a velocidade da luz quando tinha menos de um bilionésimo de trilionésimo de trilionésimo de segundo de idade. Nas palavras de Joel Primack, cosmólogo da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz: “Nunca nenhuma teoria tão bela errou”.

Evidentemente, isso foi confirmado. Usando um telescópio de microondas extremamente sensível conhecido como BICEP2 localizado no Polo Sul, John Kovac e uma equipe de observadores de Harvard detectaram uma torção na orientação das microondas geradas cerca de 300 mil anos depois do Big Bang. Conhecido como polarização B-mode, isso havia sido previsto pela teoria da inflação. A energia liberada por um fantástico universo inflando teria ondulado o espaço-tempo.

Teorias alternativas sobre como o universo conseguiu sua estrutura – tais como o desenvolvido por Paul Steinhardt, da Universidade de Princeton – não previram essas ondulações. “Se isso estiver correto, estamos acabados”, comentou Steinhardt. Ele foi um dos pioneiros da teoria da inflação, mas desde então a abandonou em favor de sua própria teoria concorrente.

Os redemoinhos detectados nesta imagem da Via Láctea inicialmente deram a impressão de serem causados por ondas gravitacionais, mas medições posteriores mostraram que a poeira cósmica poderia criar o mesmo efeito. Crédito: ESA/Planck Collaboration.
Os redemoinhos detectados nesta imagem da Via Láctea inicialmente deram a impressão de serem causados por ondas gravitacionais, mas medições posteriores mostraram que a poeira cósmica poderia criar o mesmo efeito. Crédito: ESA/Planck Collaboration.

O anúncio na conferência de imprensa de Harvard repercutiu nas manchetes ao redor do mundo. “Ondulações espaciais revelam prova clara do Big Bang”, alardeou o New York Times. “Descoberta de ondas gravitacionais primordiais anuncia ‘toda uma nova era’ na física”, declarou o The Guardian. Como praticamente todas as outras histórias que apareceram naquele dia, houve ressalvas cautelosas de que “Os resultados exigem confirmação…”. Eles mal impelem o tom alarmista.

Poucos dias após o anúncio, os repórteres acharam que tinham sido mais do que meramente cautelosos. O relatório científico de Kovac (revelado on-line no arXiv – um fórum para trabalhos a serem publicados em breve) não foi liberado até a conferência de imprensa. Assim que outros astrofísicos conseguiram acesso ao relatório eles começaram a suspeitar. Ondas gravitacionais primordiais não são a única coisa que poderia polarizar as microondas. Nuvens de poeira em redemoinho da Via Láctea poderiam fazê-lo também – “schmutz”, David Spergel de Princeton chamava, usando uma palavra iídiche que significa “sujeira”.

À medida que os físicos independentes analisavam mais de perto o relatório, tornaram-se cada vez mais céticos quanto a saber se a equipe de Harvard havia realmente visto ondas gravitacionais. Finalmente, em fevereiro de 2015, uma análise combinada dos dados da equipe BICEP2 de Kovac;  do Array Keck (localizado ao lado do BICEP2 no Polo Sul); e do Planck, observatório da Agência Espacial Europeia em órbita, não deixou dúvidas para os pesquisadores. “O que vemos”, admitiu Kovac “não é compatível com ondas gravitacionais inflacionárias”.

Isso dificilmente significa que a inflação está morta. O que estes três instrumentos muito sensíveis viram também é compatível com as ondas gravitacionais inflacionárias se escondendo dentro da poeira. A inflação, por outro lado, não é uma única teoria: é uma classe de teorias, e muitas preveem ondas gravitacionais 10 ordens de grandeza menores do que qualquer instrumento existente é capaz de detectar. “Estou preocupado?”, pergunta o teórico da Universidade de Stanford Andrei Linde, um dos fundadores da teoria da inflação. “Por que eu deveria estar?”.

Mas para um pequeno número de astrofísicos teóricos, a incapacidade de detectar ondas gravitacionais eleva a possibilidade de uma teoria alternativa do nascimento do universo estar correta. Conhecido como o modelo cíclico, foi proposto pela primeira vez em 2003 por Steinhardt de Princeton e Neil Turok, então na Universidade de Cambridge (agora diretor do Perimeter Institute for Theoretical Physics do Canadá). Nos dias de hoje é defendida por um punhado de teóricos principalmente nos EUA e no Reino Unido. Ela postula que o universo observável passou por fases de expansão e contração alternadas – talvez eternamente.

Este modelo cosmológico explica tudo que sabemos sobre o universo tão bem como a inflação, dizem eles. Um grande diferencial, porém, é que as ondas gravitacionais primordiais não fazem parte do modelo cíclico.

Enquanto a maioria dos físicos não está nem perto de abandonar a inflação, eles não descartam que esta bela teoria pode estar errada. “Paul tem um monte de preocupações sobre a teoria da inflação, o que eu acho válido”, diz Charles Bennett, físico experimental da Universidade Johns Hopkins.

Joanna Dunkley, cosmóloga da Universidade de Cambridge, aceita que o fracasso em detectar as ondas gravitacionais “deve fazer-nos pensar mais seriamente se a inflação é a única opção”.

“Eu acho que a maioria da comunidade está focada em modelos inflacionários, e acho que alguns deles é moda”, acrescenta David Spergel, colega de Steinhardt em Princeton.

Moda explica um pouco da sua predileção, talvez, mas dificilmente explica tudo. Quando a teoria da inflação surgiu pela primeira vez na década de 1980, tirava o fôlego pela forma como explicava uma série de problemas que atormentavam os cosmólogos desde a descoberta da radiação cósmica de fundo (CMB) em 1964. Na época, havia duas teorias rivais sobre como o universo começou. Uma delas era o estado estacionário, que postulava que o universo estaria sempre em expansão, e que nova matéria era criada para preencher as lacunas existentes à medida que a matéria existente se afastava e se espalhava.

A outra era o Big Bang, ironicamente nomeada pelo astrônomo Inglês Sir Fred Hoyle como um termo de ridicularização – ele era o principal defensor do estado estacionário. A ideia original aqui era que o universo nasceu da expansão violenta de uma nuvem de gás quente extremamente densa (a versão moderna afirma que começou a partir de uma singularidade – um pontinho de proporções sub-atômicas), que vem se expandindo desde então. Se isso fosse verdade, então a brilhante luz gerada por esse estrondo ainda deveria estar ecoando através do universo – só a expansão do universo teria esticado a luz na região de microondas do espectro eletromagnético.

Em 1964, os radioastrônomos Arno Penzias e Robert Wilson na Bell Telephone Laboratories em Nova Jersey, tropeçaram na luz antiga esticada. Eles experimentavam uma antena de rádio gigante da Bell Lab – originalmente construída para rastrear satélites – para ver se eles poderiam redireciona-la para espiar o universo. Seus esforços foram frustrados por um misterioso e irritante chiado na frequência de microondas da antena. Quando o par meticuloso já havia excluído todas as outras explicações (incluindo cocô de pombo) sugeriram que o chiado tinha origem cósmica. Na mesma época, a apenas uma hora de carro para o oeste, Robert Dicke e vários outros físicos da Universidade de Princeton saíram para procurar as microondas relíquias do Big Bang. Penzias e Wilson ouviram falar sobre o projeto de Dicke e telefonaram para ele durante uma de suas reuniões de grupo. Dicke ouviu pacientemente, desligou o telefone e disse aos colegas: “Garotos, fomos ultrapassados”.

Ambos os grupos publicaram simultaneamente no The Astrophysical Journal em 1965 (somente Penzias e Wilson obtiveram o Nobel, no entanto). A descoberta fez pender a balança firmemente em favor do Big Bang.

Os cosmólogos pularam na oportunidade de estudar a CMB em detalhes – foi o primeiro vislumbre do nosso jovem universo, com cerca de 400 mil anos de idade. Ele acabou por ser um lugar misterioso. Por um lado, eles ficaram impressionados com sua temperatura estranhamente uniforme – que pairava em 2,725° acima do zero absoluto, variando por não mais do que 1/100.000 em qualquer direção, não importa para onde no céu você olhe. A nuvem de gás turbulenta super aquecida a partir da qual o universo entrou em erupção tinha manchas que variavam significativamente em temperatura e densidade e essa confusão deveria ter aparecido na estrutura inicial do universo em expansão.

Outro problema foi que, enquanto o universo com 400 mil anos de idade era tão suave quanto bumbum de bebê, o universo maduro é enrugado com características semelhantes às das galáxias. Mas como é que essas rugas relacionadas com a idade surgiram?

Os físicos também estavam preocupados com a topologia aparente do universo primitivo. Em grandes escalas, suas medições mostraram que parecia ser geometricamente um “plano”. E não estava claro por que monopolos – partículas com cargas magnéticas polo ou norte, mas nunca as duas ao mesmo tempo – nunca foram encontrados.

Os cosmólogos quebraram a cabeça por mais de uma década. Então, em 1980, um jovem físico chamado Alan Guth descobriu que estes enigmas desapareceriam se um universo do tamanho de um próton experimentasse uma expansão ultra-rápida em seus momentos iniciais.

Um começo do tamanho de um próton que de repente inflou explicaria a uniformidade do universo. Ele teria inchado tão rápido que não houve tempo para que as eventuais flutuações enrugassem o tecido do espaço-tempo em expansão.

Por outro lado, o fato de que todo o universo já foi sub-atômico em tamanho, o tornou sujeito a efeitos quânticos, como a “incerteza” – um estado no qual as variáveis físicas podem variar de formas imprevisível. Estas flutuações quânticas aleatórias semearam as rugas que deram origem às características semelhantes às das galáxias.

Finalmente, a inflação explicou por que o cosmos visível parece tão plano. Talvez ele tenha começado com uma curvatura significativa, como a superfície de um balão. Imagine que você é uma mosca se equilibrando no balão. De repente, ele expande-se para o tamanho do Sol. Você ainda está em pé sobre uma superfície curva, mas que para você parece totalmente plana. Sem a expansão rápida, o balão não se expandiria suficientemente para criar o achatamento que observamos.

A versão original de Guth da inflação deixou algumas lacunas, mas elas foram preenchidas por Linde, transformando a teoria em um conjunto robusto de previsões que os cosmólogos têm testado desde então.

Houve um problema, no entanto.

“Nós descobrimos desde cedo que temos algo completamente incompreendido no início”, diz Steinhardt, que foi um dos pioneiros da teoria da inflação. “Nós pensamos que a inflação era essencialmente uma história sobre alongamento do universo. E então nós pensamos que se você adicionar um pouco de mecânica quântica para explicar por que o universo não é perfeitamente uniforme”- por isso que tem galáxias e aglomerados de galáxias – “fica parecendo que temos uma história consistente”.

No entanto, não existe isso de “um pouco” de mecânica quântica, diz Steinhardt. “A física quântica está constantemente produzindo flutuações em todas as formas de energia, incluindo a energia que está dirigindo a inflação, de modo que ela termina em alguns lugares um pouco mais tarde do que em outros”, diz ele.

Ele e outros logo perceberam que a incerteza quântica complicou a matéria.

Em nossa porção do universo, por exemplo, a inflação parou há bilhões de anos, mas em algumas outras porções ainda está acontecendo. Dada a taxa de expansão vertiginosa da inflação, essas regiões seriam agora inimaginavelmente grandes – como se pedaços do balão original tivessem inchado para fora, para formar protuberâncias gigantescas, muito maiores do que a original. “Isso vai muitas vezes”, explica Steinhardt. Linde, que é em grande parte responsável por esta ideia, chama isso de “inflação caótica” ou “inflação eterna”. Isso significa que o nosso próprio universo visível é apenas uma porção em um multiverso muito maior – uma porção dentro de uma porção dentro de uma porção, ad infinitum – e cada porção pode ter suas leis específicas da física. “O multiverso irá explorar todas as propriedades físicas concebíveis e possibilidades e produzir cada resultado concebível”, diz Steinhardt.

E esse é o problema. “O que você pode prever a partir de tal teoria?” Steinhardt pergunta. “Nenhuma coisa. Literalmente nada, uma vez que tudo o que é fisicamente possível irá ocorrer”. Mas é pior do que isso: uma vez que existe um número infinito de porções com uma infinita variedade de leis e constantes físicas, a pergunta fundamental que os físicos têm tentado responder desde a época de Aristóteles – por que o universo é do jeito que é? – se torna sem sentido. Ele é do jeito que é porque o universo é todas as formas possíveis de uma só vez. Nós o vemos dessa maneira porque ele é assim na parte onde vivemos. Isto é conhecido como princípio antrópico, e uma vez que diz, em essência, que não há nenhuma explicação para alguma coisa, ele puxa o tapete da ciência. Não quer dizer que esteja errado, mas os físicos o abominam.

Há um segundo problema também. “É impressionante termos uma teoria que descreve o que está acontecendo e combina as observações tão lindamente”, diz Spergel. “Mas isso não explica como ela chegou nessa fase”. Em outras palavras a inflação poderia ter acontecido, mas ninguém sabe por que ela começou. Steinhardt comenta que teóricos inflacionários dizem que é um problema a ser resolvido mais tarde. “Mas é um grande problema a ser resolvido mais tarde”, diz ele, “porque nós tentamos resolver esse problema e pensamos que as condições em que a inflação poderia começar são muito, muito raras.” A menos que você acredite num Criador, esse não é um bom lugar para estar.

Havia um terceiro problema: a energia escura. Em 1999, os cosmólogos confirmaram que essa força misteriosa é o que infla o universo em um ritmo cada vez mais acelerado. A teoria da inflação, concebida na década de 1980, não fazia a menor ideia da energia escura.

“Foi uma surpresa total”, diz Turok do Instituto Perimeter. “A inflação já era algo como um complemento artificial ao Big Bang, e agora você tem este novo complemento, que nada tem a ver com a inflação”. Turok diz que você também tem que explicar o fato de que a inflação dominou os primeiros momentos de nossa parte do universo e em seguida, foi embora – e que a energia escura (pequena em comparação com a energia da inflação) iria surgir bilhões de anos depois como dominante do universo.

Os inflacionistas consideram que a energia escura seja algo inteiramente diferente da inflação – uma segunda força expansionista que só se tornou significativa muitos bilhões de anos após a inflação perder força. O fato de que você precisa explicar não uma, mas duas diferentes forças fez com que Steinhardt e Turok ficassem desconfortáveis com o modelo de inflação. “Isso está horrível”, diz Turok.

Para este par de físicos, a energia escura finalmente roubou o brilho da teoria inflacionária. Tinha que haver uma teoria simples e melhor. Depois de vários anos de trabalho intenso, eles vieram com o modelo cíclico.

No modelo cíclico, a energia escura não desliga de repente após a criação do universo e depois volta. Em vez disso, é a energia escura – que é observável, em oposição a inflação, que é teórica – que impulsiona a expansão inicial do universo e continua o processo, fortalecendo conforme o universo envelhece.

Em última análise, também inverte a direção, uma possibilidade que outros teóricos consideraram antes mesmo do cenário do universo cíclico ser proposto. A reversão leva muito tempo – talvez uns 10500 anos. Mas eventualmente o universo entra em colapso a um tamanho minúsculo (o modelo não especifica precisamente o quão pequeno, mas é muito maior do que a inflação exige). Em seguida a energia escura inverte a direção novamente, o universo começa a se expandir, e um novo ciclo começa. “Nesse modelo,” Turok diz, “não há inflação, e a energia escura não é um complemento bizarro: ela é essencial”.

Ao postular um universo que se expande durante muitos bilhões de anos, e então se contrai e se expande novamente, talvez um número infinito de vezes, a teoria de Turok e Steinhardt resolveu muitos dos mesmos mistérios que a inflação também resolvia.

Por exemplo, devido ao cosmos ter passado por muitos e muitos ciclos, ele teve tempo suficiente para que as diferentes regiões entrassem em equilíbrio de temperatura, então não há nenhum problema com o fato de que lados opostos do universo visível pareçam essencialmente os mesmos. E o “achatamento” topológico do universo visível pode não emergir de expansão ultra-rápida, mas do efeito da energia escura durante a contração. A forma precisa como a inversão acontece é algo que Turok e Steinhardt não elaboraram ainda. “Há um grande esforço no campo agora”, diz Steinhardt, “há abordagens diferentes para pensar sobre esses saltos, mas todos eles têm a característica de que são processos contínuos, o que significa que nada muito louco acontece quando você está passando por eles”- por exemplo, nada tão louco quanto a singularidade onde a densidade torna-se infinita e a física quebra – um estado que parece inevitável, se o universo se expandir apenas uma vez.

Embora ambos os físicos estejam convencidos de que a teoria cíclica é mais simples e plausível do que o modelo inflacionário, eles percebem que seus argumentos não serão suficientes para afastar seus colegas da inflação. Ambas as teorias combinam observações existentes muito bem, e nem Steinhardt nem Turok estão preparados para dizer que o modelo cíclico é claramente melhor neste momento. Mas há uma observação que poderia decidir entre elas. As ondas gravitacionais são previstas pela inflação; modelos cíclicos dizem que ela não deveriam existir.

Se o telescópio BICEP2 tivesse realmente encontrado o sinal que seus cientistas afirmaram em 2014, isso teria sido o fim da estrada para as ideias de Steinhardt. O fato de não ser, segundo ele, deveria inspirar outros físicos e astrofísicos olharem de forma diferente para os modelos cíclicos.

Para Steinhardt, a cosmologia está enfrentando um desafio semelhante ao enfrentado por astrônomos planetários em meados dos anos 1500. O sistema solar geocêntrico de Ptolomeu era a visão reinante, mas foi contestada pela teoria heliocêntrica de Copérnico. “Copérnico poderia explicar algumas coisas conceitualmente que Ptolomeu não podia”, diz Steinhardt, “e vice-versa”. Foi só quando Kepler percebeu que os planetas seguem órbitas elípticas em vez de caminhos circulares que o modelo de Copérnico passou à frente. Na visão de Steinhardt este é um momento Kepler.

A maioria dos físicos não está pronta para isso. “Ainda é possível encontrar, com os dados do BICEP2 e do Planck, o que poderia ser uma grande assinatura de onda gravitacional”, diz Joanna Dunkley de Cambridge. “Não é que o BICEP2 não tenha sinal, apenas é muito mais provável que o sinal seja poeira do que o Big Bang”. À medida que observadores continuam a refinar suas observações da poeira, no entanto, se tornará mais fácil para eles subtraírem o sinal de poeira eletronicamente e ver se há microondas polarizadas verdadeiramente primordiais se escondendo por trás dela – assim como eles fazem ao observar galáxias muito opacas através da atmosfera da Terra.

E mesmo se nenhum sinal de inflação emergir da poeira, as ondas poderiam muito bem ser lá fora, mas além dos limites dos atuais detectores. “Há um grande espectro de possibilidades para a intensidade dessas ondas gravitacionais”, diz Guth.

Isso pode mudar nos próximos anos, à medida que os dados do satélite Planck continuam a ser analisados e como outros detectores CMB terrestres continuam com sua vigilância a sinais provenientes do universo antigo. Eles incluem o detector SPIDER, que acaba de completar uma volta ao redor da Antártica; o Atacama Cosmology Telescope, o experimento PolarBear e o Cosmology Large Angular Scale Surveyor no Chile; Telescópio do Polo Sul; o Keck Array do grupo de Harvard, e muitos outros. Todos eles estão à procura da luz polarizada – alguns digitalizando maiores porções do céu em menos detalhes, outros olhando para pequenas porções mais intensamente. “Várias pessoas estão pensando em novas maneiras de medir o ínfimo sinal”, diz Lyman Page, colega de Steinhardt em Princeton “e nós estamos pensando sobre isso há anos”.

Cada instrumento vai fazer observações valiosas separadamente, diz Bill Jones, um físico de Princeton que trabalha com o experimento SPIDER. “É mais ou menos como um multiplicador de forças no sentido de que podemos aproveitar as diferentes forças que eles têm, a fim de realmente capturar o sinal”, diz ele.

Como a maioria de seus colegas, Jones reconhece que os modelos cíclicos são interessantes. Mas ele acrescenta: “Eu acho que quando o cosmólogo comum acorda de manhã, ele ou ela provavelmente ainda pensa sobre como a inflação aconteceu.”

Steinhardt, Turok e outros adeptos ao modelo cíclico estão bem com isso. Por enquanto.

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