De acordo com o modelo cosmológico do Big Bang, nosso Universo começou 13,8 bilhões de anos atrás, quando toda a matéria e energia no cosmos começaram a se expandir. Acredita-se que este período de “inflação cósmica” seja o responsável pela estrutura em larga escala do Universo e por que o espaço e o Fundo Cósmico de Microondas (CMB) parecem ser amplamente uniformes em todas as direções.
No entanto, até o momento, nenhuma evidência foi descoberta que possa provar definitivamente o cenário da inflação cósmica ou descartar teorias alternativas. Mas, graças a um novo estudo de uma equipe de astrônomos da Universidade de Harvard e do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CfA), os cientistas podem ter um novo meio de testar uma das partes principais do modelo cosmológico do Big Bang.
O artigo, intitulado “Impressões digitais únicas de alternativas à inflação no espectro de potência primordial”, apareceu recentemente on-line e está sendo considerado para publicação no Cartas de Revisão Física. O estudo foi conduzido por Xingang Chen e Abraham Loeb - um professor sênior da Universidade de Harvard e Frank D. Baird Presidente de Astronomia da Universidade de Harvard, respectivamente - e Zhong-Zhi Xianyu, um pós-doutorado no Departamento de Física da Universidade de Harvard.
Para recapitular, na cosmologia física, a teoria da inflação cósmica afirma que em 10-36 segundos após o Big Bang, a singularidade onde toda a matéria e energia estava concentrada começou a se expandir. Acredita-se que esta “época inflacionária” tenha durado até 10-33 a 10-32 segundos após o Big Bang; depois disso, o universo começou a se expandir mais lentamente. De acordo com essa teoria, a expansão inicial do Universo foi mais rápida que a velocidade da luz.
A teoria de que essa época existia é útil para os cosmólogos, porque ajuda a explicar por que o Universo tem quase as mesmas condições em regiões muito distantes umas das outras. Basicamente, se o cosmos se originou de um pequeno volume de espaço que foi inflado para se tornar maior do que podemos observar atualmente, isso explicaria por que a estrutura em larga escala do Universo é quase uniforme e homogênea.
No entanto, essas não são de forma alguma as únicas explicações de como o Universo surgiu, e a capacidade de falsificá-las é historicamente inexistente. Como o professor Abraham Loeb disse à Space Magazine por e-mail:
“Embora muitas propriedades observadas das estruturas em nosso universo sejam consistentes com o cenário inflacionário, existem tantos modelos de inflação que é difícil falsificá-lo. A inflação também levou à noção do multiverso em que tudo o que pode acontecer acontecerá um número infinito de vezes, e é impossível falsificar essa teoria por meio de experimentos, que é a marca registrada da física tradicional. Até agora, existem cenários concorrentes que não envolvem inflação, nos quais o universo primeiro se contrai e depois salta em vez de começar no Big Bang. Esses cenários podem corresponder aos atuais observáveis da inflação. ”
Para o estudo, Loeb e seus colegas desenvolveram uma maneira independente de modelo de distinguir a inflação de cenários alternativos. Essencialmente, eles propõem que campos massivos no universo primordial experimentariam flutuações quânticas e perturbações de densidade que registrariam diretamente a escala do Universo primitivo em função do tempo - ou seja, eles agiriam como uma espécie de "relógio padrão do Universo".
Ao medir os sinais que eles prevêem que viriam desses campos, eles levantam a hipótese de que os cosmólogos seriam capazes de dizer se alguma variação na densidade foi gerada durante uma fase de contratação ou expansão do Universo primitivo. Isso permitiria efetivamente descartar alternativas à inflação cósmica (como o cenário Big Bounce). Como Loeb explicou:
“Na maioria dos cenários, é natural ter um campo enorme no universo primitivo. As perturbações no campo maciço em uma escala espacial específica oscilam no tempo como uma bola subindo e descendo em um poço em potencial, onde a massa determina a frequência das oscilações. Mas a evolução das perturbações também depende da escala espacial em consideração, bem como do fator de escala de fundo (que aumenta exponencialmente durante modelos genéricos de inflação, mas diminui nos modelos de contratação). ”
Essas perturbações, disse Loeb, seriam a fonte de quaisquer variações de densidade observadas pelos astrônomos na Revista Space. A forma como essas variações foram moldadas pode ser determinada pela observação do universo de fundo - especificamente, se estava em expansão ou contração, com o qual os astrônomos podem distinguir.
"Na minha metáfora, o fator de escala do universo está afetando a taxa pela qual uma fita é puxada enquanto o relógio deixa marcas nele", acrescentou Loeb. "O novo sinal que previmos imprimiu sobre como o nível de não uniformidades no universo muda com a escala espacial."
Em suma, Loeb e seus colegas identificaram um sinal potencial que poderia ser medido usando os instrumentos atuais. Estes incluem aqueles que estudam o Fundo Cósmico de Microondas (CMB) - como os da ESA Planck observatório espacial - e aqueles que têm realizado pesquisas com galáxias - o Sloan Digital Sky Survey, o VLT Survey Telescope, o telescópio Dragonfly etc.
Em estudos anteriores, foi sugerido que variações de densidade no Universo primordial poderiam ser detectadas procurando evidências de não gaussianidades, que são correções para a estimativa da função gaussiana para a medição de uma quantidade física - neste caso, o CMB. Mas, como Loeb colocou, eles ainda precisam ser detectados:
“O novo sinal oscilatório está no espectro de potência de perturbações de densidade primordial (que é rotineiramente medido a partir do fundo cósmico de microondas [CMB] ou pesquisas com galáxias), enquanto as sugestões anteriores na literatura envolviam efeitos relacionados a não gaussianidades, que são muito mais difícil de medir (e ainda não foram detectados). Os resultados apresentados em nosso artigo são muito oportunos, pois conjuntos de dados expandidos estão sendo coletados por novas observações das anisotropias CMB e pesquisas com galáxias. ”
Compreender como o Universo começou talvez seja a questão mais fundamental da ciência e da cosmologia. Se, aplicando esse método, explicações alternativas de como o Universo começou puder ser descartado, isso nos aproximará um pouco mais da determinação das origens do tempo, do espaço e da própria vida. As perguntas "de onde viemos?" e "como tudo começou?" pode finalmente ter uma resposta definitiva!
