Físicos simularam a estrutura quântica primordial do nosso universo: WebCuriosos

Observe o céu por tempo suficiente e o Universo começa a se parecer com uma cidade à noite. As galáxias assumem características de postes de luz, aglomerando-se em vizinhanças de matéria escura, ligadas por rodovias de gás que correm ao longo das margens do nada intergaláctico.

Este mapa do Universo foi pré-ordenado, apresentado no mais ínfimo dos arrepios da física quântica momentos após o Big Bang ter lançado uma expansão do espaço e do tempo há cerca de 13,8 mil milhões de anos.

No entanto, exatamente o que eram essas flutuações e como elas puseram em movimento a física que veria os átomos se agruparem nas enormes estruturas cósmicas que vemos hoje ainda está longe de ser claro.

Uma análise matemática recente dos momentos após um período denominado época inflacionária revela que algum tipo de estrutura pode ter existido mesmo dentro da fervilhante fornalha quântica que enchia o Universo infantil, e poderia nos ajudar a entender melhor seu layout hoje.

Astrofísicos da Universidade de Göttingen, na Alemanha, e da Universidade de Auckland, na Nova Zelândia, usaram uma mistura de simulações de movimento de partículas e uma espécie de gravidade/modelagem quântica para prever como as estruturas podem se formar na condensação de partículas após a ocorrência da inflação.

A escala desse tipo de modelagem é um pouco alucinante. Estamos falando de massas de até 20 quilos espremidas em um espaço de apenas 10^-20 metros de diâmetro, numa época em que o Universo tinha apenas 10^-24 segundos de idade.

“O espaço físico representado pela nossa simulação caberia um milhão de vezes num único próton”, disse o astrofísico Jens Niemeyer, da Universidade de Göttingen.

“É provavelmente a maior simulação da menor área do Universo já realizada até agora.”

A maior parte do que sabemos sobre esta fase inicial da existência do Universo baseia-se precisamente neste tipo de investigação matemática. A luz mais antiga que ainda podemos ver tremeluzindo no Universo é a Radiação Cósmica de Fundo (CMB), e todo o espetáculo já estava na estrada há cerca de 300.000 anos.

Mas dentro desse eco fraco de radiação antiga há algumas pistas sobre o que estava acontecendo.

A luz da CMB foi emitida como partículas básicas combinadas em átomos a partir da sopa quente e densa de energia, no que é conhecido como a época da recombinação.

Um mapa desta radiação de fundo no céu mostra que o nosso Universo já tinha algum tipo de estrutura com algumas centenas de milhares de anos de idade. Havia partes ligeiramente mais frias e partes ligeiramente mais quentes que poderiam empurrar a matéria para áreas que eventualmente veriam as estrelas se inflamarem, as galáxias espiralarem e as massas se acumularem na cidade cósmica que vemos hoje.

Isto levanta uma questão.

O espaço que constitui o nosso Universo está a expandir-se, o que significa que o Universo já deve ter sido muito mais pequeno. Portanto, é lógico que tudo o que vemos ao nosso redor agora já esteve amontoado em um volume confinado demais para que tais manchas quentes e frias surgissem.

Como uma xícara de café na fornalha, não havia como nenhuma parte esfriar antes de aquecer novamente.

O período inflacionário foi proposto como forma de resolver esse problema. Dentro de trilionésimos de segundo após o Big Bang, nosso Universo aumentou de tamanho em uma quantidade insana, essencialmente congelando quaisquer variações em escala quântica.

Dizer que isso aconteceu num piscar de olhos ainda não faria justiça. Teria começado por volta das 10^-36 segundos após o Big Bang, e terminou às 10^-32 segundos. Mas foi longo o suficiente para que o espaço assumisse proporções que impediam que pequenas variações de temperatura se suavizassem novamente.

Os cálculos dos investigadores centram-se neste breve instante após a inflação, demonstrando como as partículas elementares que se solidificaram a partir da espuma das ondulações quânticas naquela altura poderiam ter gerado breves halos de matéria suficientemente densa para enrugar o próprio espaço-tempo.

“A formação de tais estruturas, bem como seus movimentos e interações, deve ter gerado um ruído de fundo de ondas gravitacionais”, disse O astrofísico da Universidade de Göttingen, Benedikt Eggemeier, primeiro autor do estudo.

“Com a ajuda das nossas simulações, podemos calcular a força deste sinal de onda gravitacional, que poderá ser mensurável no futuro.”

Em alguns casos, as massas intensas de tais objetos poderiam ter puxado matéria para buracos negros primordiais, objetos que se supõe contribuírem para a atração misteriosa da matéria escura.

O facto de o comportamento destas estruturas imitar a aglomeração em grande escala do nosso Universo hoje não significa necessariamente que seja diretamente responsável pela distribuição atual de estrelas, gás e galáxias.

Mas a complexa física que se desenrola entre essas partículas recém-assadas ainda pode ser visível no céu, entre aquela paisagem ondulada de luzes cintilantes e vazios escuros que chamamos de Universo.

Esta pesquisa foi publicada em Revisão Física D.

Uma versão deste artigo foi publicada pela primeira vez em março de 2021.