Imagine um universo onde você pudesse apontar uma espaçonave em uma direção e, eventualmente, retornar ao ponto de partida. Se nosso universo fosse um donut finito, então tais movimentos seriam possíveis e os físicos poderiam medir seu tamanho.
“Poderíamos dizer: agora sabemos o tamanho do universo”, disse o astrofísico Thomas Buchert, da Universidade de Lyon, Centro de Pesquisa Astrofísica da França, ao Live Science por e-mail.
Examinando a luz do universo primordial, Buchert e uma equipe de astrofísicos deduziram que nosso cosmos pode ser multiplamente conectado, o que significa que o espaço está fechado em si mesmo em todas as três dimensões como uma rosquinha tridimensional. Tal universo seria finito e, de acordo com seus resultados, nosso cosmos inteiro poderia ser apenas cerca de três a quatro vezes maior do que os limites do universo observável, cerca de 45 bilhões de anos-luz de distância.
Um problema gostoso
Os físicos usam a linguagem da relatividade geral de Einstein para explicar o universo. Essa linguagem conecta o conteúdo do espaço-tempo à curvatura e curvatura do espaço-tempo, que então diz a esses conteúdos como interagir. É assim que experimentamos a força da gravidade. Em um contexto cosmológico, essa linguagem conecta o conteúdo de todo o universo – matéria escura, energia escura, matéria regular, radiação e todo o resto – à sua forma geométrica geral. Durante décadas, os astrônomos debateram a natureza dessa forma: se nosso universo é “plano” (o que significa que linhas paralelas imaginárias permaneceriam paralelas para sempre), “fechado” (linhas paralelas eventualmente se cruzariam) ou “aberto” (essas linhas divergiriam )
Essa geometria do universo dita seu destino. Universos planos e abertos continuariam a se expandir para sempre, enquanto um universo fechado acabaria por entrar em colapso sobre si mesmo.
Múltiplas observações, especialmente do fundo cósmico de microondas (o flash de luz lançado quando nosso universo tinha apenas 380.000 anos), estabeleceram firmemente que vivemos em um universo plano. Linhas paralelas permanecem paralelas e nosso universo continuará se expandindo.
Mas a forma é mais do que geometria. Também existe a topologia, que é como as formas podem mudar enquanto mantêm as mesmas regras geométricas.
Por exemplo, pegue um pedaço de papel plano. É obviamente plano – as linhas paralelas permanecem paralelas. Agora, pegue duas bordas desse papel e enrole-o em um cilindro. Essas linhas paralelas ainda são paralelas: os cilindros são geometricamente planos. Agora, pegue as extremidades opostas do papel cilíndrico e conecte-as. Isso dá o formato de um donut, que também é geometricamente plano.
Embora nossas medições do conteúdo e da forma do universo nos digam sua geometria – é plano – eles não nos dizem sobre a topologia. Eles não nos dizem se nosso universo está multiplamente conectado, o que significa que uma ou mais dimensões de nosso cosmos se conectam de volta entre si.
Olhe para a luz
Enquanto um universo perfeitamente plano se estenderia ao infinito, um universo plano com uma topologia multiplamente conectada teria tamanho finito. Se pudéssemos determinar de alguma forma se uma ou mais dimensões estão envolvidas em si mesmas, saberíamos que o universo é finito nessa dimensão. Poderíamos então usar essas observações para medir o volume total do universo.
Mas como um universo multiplamente conectado se revelaria?
Uma equipe de astrofísicos da Universidade de Ulm, na Alemanha, e da Universidade de Lyon, na França, analisou a radiação cósmica de fundo (CMB). Quando o CMB foi lançado, nosso universo era um milhão de vezes menor do que é hoje e, portanto, se nosso universo está de fato multiplamente conectado, então era muito mais provável que ele se envolvesse dentro dos limites observáveis do cosmos naquela época. Hoje, devido à expansão do universo, é muito mais provável que o envoltório ocorra em uma escala além dos limites observáveis e, portanto, o envoltório seria muito mais difícil de detectar. As observações do CMB nos dão nossa melhor chance de ver as marcas de um universo multiplamente conectado.
A equipe olhou especificamente para as perturbações – o termo da física chique para solavancos e meneios – na temperatura do CMB. Se uma ou mais dimensões em nosso universo se conectassem de volta a si mesmas, as perturbações não poderiam ser maiores do que a distância em torno desses loops. Eles simplesmente não cabiam.
Como Buchert explicou à Live Science em um e-mail: “Em um espaço infinito, as perturbações na temperatura da radiação CMB existem em todas as escalas. Se, no entanto, o espaço for finito, então faltam aqueles comprimentos de onda maiores do que o tamanho do espaço. ”
Em outras palavras: haveria um tamanho máximo para as perturbações, o que poderia revelar a topologia do universo.
Fazendo a conexão
Mapas do CMB feitos com satélites como o WMAP da NASA e o Planck da ESA já viram uma quantidade intrigante de perturbações ausentes em grandes escalas. Buchert e seus colaboradores examinaram se essas perturbações ausentes poderiam ser devido a um universo multiplamente conectado. Para fazer isso, a equipe realizou muitas simulações de computador de como o CMB seria se o universo fosse um toro tridimensional, que é o nome matemático de um donut tridimensional gigante, onde nosso cosmos está conectado a si mesmo em todas as três dimensões .
“Portanto, temos que fazer simulações em uma determinada topologia e comparar com o que é observado”, explica Buchert. “As propriedades das flutuações observadas do CMB mostram então um ‘poder ausente’ em escalas além do tamanho do universo.” A falta de energia significa que as flutuações no CMB não estão presentes nessas escalas. Isso implicaria que nosso universo é multiplamente conectado e finito nessa escala de tamanho.
“Encontramos uma correspondência muito melhor com as flutuações observadas, em comparação com o modelo cosmológico padrão, que é considerado infinito”, acrescentou.
“Podemos variar o tamanho do espaço e repetir esta análise. O resultado é um tamanho ideal do universo que melhor corresponda às observações CMB. A resposta do nosso artigo é claramente que o universo finito corresponde às observações melhor do que o modelo infinito. Poderíamos dizer: agora sabemos o tamanho do universo. ”
A equipe descobriu que um universo multiplamente conectado cerca de três a quatro vezes maior do que nossa bolha observável correspondia melhor aos dados do CMB. Embora esse resultado tecnicamente signifique que você pode viajar em uma direção e voltar ao ponto de partida, você não seria capaz de realmente realizar isso na realidade. Vivemos em um universo em expansão e, em grandes escalas, o universo está se expandindo a uma taxa mais rápida do que a velocidade da luz, então você nunca poderia alcançá-lo e completar o loop.
Buchert enfatizou que os resultados ainda são preliminares. Os efeitos do instrumento também podem explicar as flutuações ausentes em grandes escalas.
Ainda assim, é divertido imaginar viver na superfície de um donut gigante.
Publicado em 22/07/2021 13h16
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