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Imagem: Christine Daniloff, MIT, ESA / Hubble e NASA
Conforme a teoria do Big Bang, em algum lugar há 13,8 bilhões de anos atrás, o universo explodiu, como uma bola de fogo infinitamente pequena e compacta de matéria que esfriava à medida que se expandia, desencadeando reações que cozinhavam as primeiras estrelas e galáxias, e todas as formas de importa o que vemos (e somos) hoje.
Pouco antes do Big Bang lançar o universo em seu curso sempre em expansão, os físicos acreditam que havia outra fase mais explosiva do universo primitivo em jogo: a inflação cósmica, que durava menos de um bilionésimo de segundo. Durante esse período, a matéria - uma mistura fria e homogênea - inflou exponencialmente rapidamente antes que os processos do Big Bang passassem a expandir e diversificar mais lentamente o universo infantil.
Observações recentes têm apoiado de forma independente as teorias do Big Bang e da inflação cósmica. Mas os dois processos são tão radicalmente diferentes um do outro que os cientistas lutaram para conceber como um seguia o outro.
Agora, os físicos do MIT, do Kenyon College e de outros lugares simularam em detalhes uma fase intermediária do universo primitivo que pode ter superado a inflação cósmica com o Big Bang. Essa fase, conhecida como "reaquecimento", ocorreu no final da inflação cósmica e envolveu processos que transformaram a matéria fria e uniforme da inflação na ultra-complexa sopa que estava em vigor no início do Big Bang.
"O período de reaquecimento pós-inflação estabelece as condições para o Big Bang e, em certo sentido, coloca o 'bang' no Big Bang", diz David Kaiser, professor de História da Ciência em Germeshausen e professor de física no MIT. "É neste período de transição em que todo o inferno se abre e a matéria se comporta de qualquer maneira, menos de uma maneira simples".
Kaiser e seus colegas simularam em detalhes como múltiplas formas de matéria teriam interagido durante esse período caótico no final da inflação. Suas simulações mostram que a energia extrema que impulsionou a inflação poderia ser redistribuída com a mesma rapidez, em uma fração de segundo ainda menor e de uma maneira que produzisse condições que seriam necessárias para o início do Big Bang.
A equipe descobriu que essa transformação extrema teria sido ainda mais rápida e mais eficiente se os efeitos quânticos modificassem a maneira como a matéria respondia à gravidade com energias muito altas, divergindo da maneira como a teoria da relatividade geral de Einstein prevê que a matéria e a gravidade devem interagir.
"Isso nos permite contar uma história ininterrupta, da inflação ao período pós-inflação, ao Big Bang e além", diz Kaiser. "Podemos traçar um conjunto contínuo de processos, todos com física conhecida, para dizer que essa é uma maneira plausível pela qual o universo passou a ter a aparência que vemos hoje".
Os resultados da equipe aparecem hoje em Physical Review Letters . Os co-autores de Kaiser são os principais autores Rachel Nguyen e John T. Giblin, ambos do Kenyon College, e ex-aluno do MIT Evangelos Sfakianakis e Jorinde van de Vis, ambos da Universidade de Leiden, na Holanda.
"Em sincronia consigo mesmo"
A teoria da inflação cósmica, proposta pela primeira vez na década de 1980 por Alan Guth, do MIT, professor de física da VF Weisskopf, prevê que o universo começou como uma partícula extremamente pequena de matéria, possivelmente com cerca de cem bilhões de vezes o tamanho de um próton. Essa mancha estava cheia de matéria de energia ultra alta, tão enérgica que as pressões internas geravam uma força gravitacional repulsiva - a força motriz por trás da inflação. Como uma faísca em um fusível, essa força gravitacional explodiu o universo infantil para fora, a uma velocidade cada vez mais rápida, inflando-o quase um octilhão de vezes o seu tamanho original (esse é o número 1 seguido por 26 zeros), em menos de um trilionésimo de um segundo.
Kaiser e seus colegas tentaram descobrir como seriam as primeiras fases do reaquecimento - esse intervalo de ponte no final da inflação cósmica e pouco antes do Big Bang.
"As fases iniciais do reaquecimento devem ser marcadas por ressonâncias. Uma forma de matéria de alta energia domina, e está tremendo de um lado para outro em sincronia consigo mesma através de grandes extensões de espaço, levando à produção explosiva de novas partículas", diz Kaiser. "Esse comportamento não vai durar para sempre e, quando começar a transferir energia para uma segunda forma de matéria, suas próprias oscilações ficarão mais irregulares e irregulares no espaço. Queríamos medir quanto tempo levaria para que esse efeito ressonante se dissolvesse. , e para que as partículas produzidas se espalhem e cheguem a algum tipo de equilíbrio térmico, remanescente das condições do Big Bang ".
As simulações de computador da equipe representam uma grande treliça na qual eles mapearam várias formas de matéria e acompanharam como sua energia e distribuição mudavam no espaço e ao longo do tempo, à medida que os cientistas variavam em determinadas condições. As condições iniciais da simulação foram baseadas em um modelo inflacionário específico - um conjunto de previsões de como a distribuição de matéria do universo inicial pode ter se comportado durante a inflação cósmica.
Os cientistas escolheram esse modelo específico de inflação em detrimento de outros, porque suas previsões se aproximam de medições de alta precisão do fundo cósmico de microondas - um brilho remanescente de radiação emitida apenas 380.000 anos após o Big Bang, que supostamente contém traços do período inflacionário.
Um ajuste Universal
A simulação acompanhou o comportamento de dois tipos de matéria que podem ter sido dominantes durante a inflação, muito semelhantes a um tipo de partícula, o bóson de Higgs, que foi observado recentemente em outros experimentos.
Antes de executar suas simulações, a equipe acrescentou um pequeno "ajuste" à descrição da gravidade do modelo. Enquanto a matéria comum que vemos hoje responde à gravidade, como Einstein previu em sua teoria da relatividade geral, a matéria com energias muito mais altas, como o que se pensa existir durante a inflação cósmica, deve se comportar de maneira um pouco diferente, interagindo com a gravidade de maneiras que são: modificado pela mecânica quântica , ou interações na escala atômica.
Na teoria da relatividade geral de Einstein, a força da gravidade é representada como uma constante, com o que os físicos chamam de acoplamento mínimo, o que significa que, independentemente da energia de uma partícula em particular, ela responderá aos efeitos gravitacionais com uma força definida por uma constante universal.
Contudo, nas energias muito altas previstas na inflação cósmica , a matéria interage com a gravidade de uma maneira um pouco mais complicada. Os efeitos da mecânica quântica predizem que a força da gravidade pode variar no espaço e no tempo ao interagir com a matéria de energia ultra alta - um fenômeno conhecido como acoplamento não mínimo.
Kaiser e seus colegas incorporaram um termo de acoplamento não mínimo ao seu modelo inflacionário e observaram como a distribuição de matéria e energia mudou à medida que aumentavam ou diminuíam esse efeito quântico.
No final, eles descobriram que quanto mais forte o efeito gravitacional modificado quântico afetava a matéria, mais rápido o universo passava da matéria fria e homogênea na inflação para as formas de matéria muito mais quentes e diversas que são características do Big Bang.
Ajustando esse efeito quântico, eles podem fazer com que essa transição crucial ocorra de 2 a 3 "dobras eletrônicas", referindo-se à quantidade de tempo que o universo leva (aproximadamente) para triplicar de tamanho. Nesse caso, eles conseguiram simular a fase de reaquecimento dentro do tempo necessário para o universo triplicar de tamanho duas a três vezes. Em comparação, a própria inflação ocorreu mais de 60 dobras eletrônicas.
"O aquecimento foi um momento insano, quando tudo deu errado", diz Kaiser. "Mostramos que o assunto estava interagindo tão fortemente naquele momento que também podia relaxar correspondentemente rapidamente, preparando o cenário para o Big Bang. Não sabíamos que era esse o caso, mas é o que está emergindo dessas simulações, todas com a física conhecida. Isso é emocionante para nós".
Mais informações: Rachel Nguyen et al. Dinâmica não linear do pré-aquecimento após a inflação de vários campos com acoplamentos não mínimos, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.123.171301
Informações do periódico: Cartas de Revisão Física
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Hélio R.M. Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
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