Há um buraco na história de como nosso universo surgiu. Primeiro, o universo inflou rapidamente, como um balão. Então, tudo deu certo.
Mas como esses dois períodos estão conectados, iludimos os físicos. Agora, um novo estudo sugere uma maneira de vincular as duas épocas.
No primeiro período, o universo cresceu de um ponto quase infinitamente pequeno para quase um octilhão (isto é 1 seguido de 27 zeros) vezes o tamanho em menos de um trilionésimo de segundo. Esse período de inflação foi seguido por um período de expansão mais gradual, mas violento, conhecido como Big Bang. Durante o Big Bang, uma bola de fogo incrivelmente quente de partículas fundamentais - como prótons, nêutrons e elétrons - se expandiu e esfriou para formar os átomos, estrelas e galáxias que vemos hoje.
A teoria do Big Bang, que descreve a inflação cósmica, continua sendo a explicação mais amplamente apoiada de como nosso universo começou, mas os cientistas ainda estão perplexos com a conexão desses períodos de expansão totalmente diferentes. Para resolver esse enigma cósmico, uma equipe de pesquisadores do Kenyon College, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e da Universidade Leiden da Holanda simulou a transição crítica entre a inflação cósmica e o Big Bang - um período que eles chamam de "reaquecimento".
"O período de reaquecimento pós-inflação estabelece as condições para o Big Bang e, de certa forma, coloca o 'bang' no Big Bang", disse David Kaiser, professor de física do MIT, em comunicado. "É neste período da ponte em que todo o inferno se abre e a matéria se comporta de qualquer maneira, menos de uma maneira simples".
Quando o universo se expandiu em um flash de segundo durante a inflação cósmica, toda a matéria existente foi espalhada, deixando o universo em um lugar frio e vazio, desprovido da sopa quente de partículas necessárias para inflamar o Big Bang. Durante o período de reaquecimento, acredita-se que a inflação da energia decaia em partículas, disse Rachel Nguyen, estudante de doutorado em física na Universidade de Illinois e principal autora do estudo.
"Uma vez que essas partículas são produzidas, elas pulam e se chocam, transferindo impulso e energia", disse Nguyen à Live Science. "E é isso que aquece e reaquece o universo para definir as condições iniciais do Big Bang".
Em seu modelo, Nguyen e seus colegas simularam o comportamento de formas exóticas de matéria chamadas inflatons. Os cientistas pensam que essas partículas hipotéticas, de natureza semelhante ao bóson de Higgs, criaram o campo de energia que impulsionou a inflação cósmica. O modelo deles mostrou que, nas condições certas, a energia dos inflatons poderia ser redistribuída eficientemente para criar a diversidade de partículas necessárias para reaquecer o universo. Eles publicaram seus resultados em 24 de outubro na revista Physical Review Letters.
Um cadinho para física de alta energia
"Quando estamos estudando o universo primitivo, o que realmente estamos fazendo é um experimento de partículas a temperaturas muito, muito altas", disse Tom Giblin, professor associado de física na Kenyon College, em Ohio, e co-autor do estudo. "A transição do período inflacionário frio para o período quente é aquele que deve conter algumas evidências importantes sobre quais partículas realmente existem nessas energias extremamente altas".
Uma questão fundamental que atormenta os físicos é como a gravidade se comporta com as energias extremas presentes durante a inflação. Na teoria da relatividade geral de Albert Einstein, acredita-se que toda a matéria seja afetada pela gravidade da mesma maneira, onde a força da gravidade é constante, independentemente da energia de uma partícula. No entanto, devido ao estranho mundo da mecânica quântica, os cientistas pensam que, com energias muito altas, a matéria responde à gravidade de maneira diferente.
A equipe incorporou essa suposição em seu modelo, ajustando a força com que as partículas interagiam com a gravidade. Eles descobriram que quanto mais aumentavam a força da gravidade, mais eficientemente os inflatões transferiam energia para produzir o zoológico de partículas de matéria quente encontradas durante o Big Bang.
Agora, eles precisam encontrar evidências para reforçar seu modelo em algum lugar do universo.
"O universo guarda tantos segredos codificados de maneiras muito complicadas", disse Giblin à Live Science. "É nosso trabalho aprender sobre a natureza da realidade criando um dispositivo de decodificação - uma maneira de extrair informações do universo. Usamos simulações para fazer previsões sobre como o universo deveria ser, para que possamos começar a decodificá-lo. Esse período de reaquecimento deve deixar uma marca em algum lugar do universo. Só precisamos encontrá-lo. "
Mas encontrar essa impressão pode ser complicado. Nosso primeiro vislumbre do universo é uma bolha de radiação que resta de algumas centenas de milhares de anos após o Big Bang, chamada de fundo cósmico de microondas (CMB). No entanto, o CMB apenas sugere o estado do universo durante os primeiros segundos críticos do nascimento. Físicos como Giblin esperam que futuras observações das ondas gravitacionais forneçam as pistas finais.
