Talvez a parte mais convincente de qualquer história notável seja sua origem: como tudo começou. Podemos retomar essa pergunta o quanto quisermos, perguntando o que veio antes e deu origem ao que estávamos perguntando anteriormente, até nos vermos ponderando a origem do próprio Universo. Esta é talvez a maior história de origem de todas, que ocupou as mentes de poetas, filósofos, teólogos e cientistas por inúmeros milênios.
O Big Bang foi uma idéia que foi concebida pela primeira vez de maneira vaga nos anos 1920, nos primeiros dias da Relatividade Geral. Em 1922, Alexander Friedmann foi o primeiro a reconhecer que, se você tivesse um universo uniformemente cheio de matéria e energia por todo o corpo, sem direções ou locais preferidos, não poderia ser estático e estável. O próprio tecido do espaço, segundo as leis de Einstein, tinha que estar em expansão ou contração.
Em 1923, Edwin Hubble fez a primeira medição de distância de Andrômeda, demonstrando pela primeira vez que era uma galáxia completamente fora da Via Láctea. Ao combinar sua medição de distâncias galácticas com os dados do desvio para o vermelho de Vesto Slipher, ele podia medir diretamente a expansão do Universo. Em 1927, Georges Lemaître tornou-se o primeiro a juntar todas as peças: um Universo em expansão hoje implica um passado menor e mais denso, desde a época em que ousamos extrapolar.
A partir da década de 1940, George Gamow e seus colaboradores começaram a descobrir as conseqüências de um universo que estava se expandindo e esfriando hoje, mas mais quente e denso no passado. Em particular, ele obteve quatro resultados principais.
1. A taxa de expansão do Universo evoluiria com o tempo, dependendo de que tipos e proporções de matéria e energia estavam presentes.
2. O Universo teria passado por um crescimento gravitacional, onde inicialmente pequenas sobredensidades, com o tempo, se tornariam estrelas, galáxias e a grande teia cósmica.
3. O Universo, sendo mais quente no passado, já teria sido quente o suficiente para impedir a formação de átomos neutros, o que significa que deveria haver um brilho restante de radiação emitida quando esses átomos neutros finalmente se formaram.
4. E, ainda mais cedo, deveria ter sido quente e denso o suficiente para provocar a fusão nuclear entre prótons e nêutrons, o que deveria ter criado os primeiros elementos não triviais do Universo.
Em 1964 e 1965, dois radioastrônomos do Bell Labs, Arno Penzias e Robert Wilson, descobriram um leve brilho de radiação que emanava de todas as direções no céu. Após um curto período de surpresa, confusão e mistério, esse sinal foi evidenciado por coincidir com a previsão de radiação do Big Bang. As observações subsequentes nas próximas décadas revelaram detalhes ainda mais precisos, combinando as previsões do Big Bang com grande precisão.
O crescimento e a evolução das galáxias e a estrutura em larga escala do Universo, as medidas da taxa de expansão e da temperatura mudam ao longo da história evolutiva do Universo, e a medição das abundâncias dos elementos leves, todos combinados na estrutura do Big Bang. Por todas as métricas em que os dados existiam, o Big Bang foi um sucesso esmagador. Ainda hoje, nenhuma teoria alternativa reproduziu todos esses sucessos.
Mas a que distância você pode ter a idéia do Big Bang? Se o Universo está se expandindo e esfriando hoje, deve ter sido mais quente, mais denso e menor no passado. O instinto natural é voltar até onde as leis da física – como a Relatividade Geral – permitirem que você vá: de volta a uma singularidade. Em um momento específico, a totalidade do Universo seria comprimida em um único ponto de energia, densidade e temperatura infinitas.
Isso corresponderia à ideia de uma singularidade, que é onde as leis da física quebram. É concebível que seja aqui que o espaço e o tempo foram criados. E, devido à nossa compreensão moderna do nosso Universo, podemos extrapolar todo o caminho de volta a um momento específico há um tempo finito: 13,8 bilhões de anos. Se o Big Bang fosse tudo o que havia, essa seria a origem última do nosso Universo: um dia sem ontem.
Mas o Universo, como o vemos, tem algumas propriedades – e alguns quebra-cabeças – que o Big Bang não explica. Se tudo começou a partir de um ponto singular há muito tempo, você esperaria:
– regiões diferentes do espaço teriam temperaturas diferentes, pois não teriam a capacidade de se comunicar e trocar partículas, radiação e outras formas de informação;
– sobras de relíquias de partículas desde os tempos mais antigos e mais quentes, como monopólos magnéticos e outros defeitos topológicos;
– e algum grau de curvatura espacial, já que um Big Bang que surge de uma singularidade não tem como equilibrar a taxa de expansão inicial e a densidade total de matéria e energia tão perfeitamente.
Mas nenhuma dessas coisas é verdadeira. O Universo tem as mesmas propriedades de temperatura em todos os lugares, sem sobras de relíquias de alta energia e é perfeitamente espacialmente plano em todas as direções.
Ou o Universo simplesmente nasceu com essas propriedades por nenhuma razão previsível, ou existe uma explicação científica: um mecanismo que causou a existência do Universo com essas propriedades já existentes. Em 7 de dezembro de 1979, o físico Alan Guth teve uma realização espetacular: um período inicial de expansão exponencial que precedeu o Big Bang – o que hoje conhecemos como inflação cósmica – poderia ter causado o nascimento do Universo com todas essas propriedades específicas. Quando a inflação chegou ao fim, essa transição deve dar origem ao quente Big Bang.
Obviamente, você não pode simplesmente criar uma ideia extra em sua antiga teoria e declarar que sua nova é melhor. Na ciência, o ônus da prova da nova teoria é muito mais severo.
Para substituir qualquer teoria científica predominante, uma nova tem que fazer três coisas:
1. reproduzir todos os sucessos da teoria pré-existente;
2. explicar os mistérios que a velha teoria não poderia;
3. e faça previsões novas e testáveis que diferem das previsões da teoria anterior.
Ao longo dos anos 80, ficou claro que a inflação poderia facilmente atingir os dois primeiros. Os testes finais viriam quando nossas capacidades de observação e medição nos permitissem comparar o que o Universo nos dá com as novas previsões da inflação. Se a inflação for verdadeira, teríamos que não apenas expor quais seriam as conseqüências potencialmente observáveis – e existem poucas -, mas reunir esses dados e tirar conclusões com base neles.
Até agora, quatro dessas previsões foram testadas, com os dados agora sendo bons o suficiente para avaliar completamente os resultados.
1.) O Universo deve ter um limite máximo máximo, não infinito, para as temperaturas atingidas no Big Bang quente. O brilho que sobra do Big Bang – o fundo cósmico de microondas – tem algumas regiões um pouco mais quentes e outras um pouco mais frias que a média. As diferenças são minúsculas, cerca de 1 parte em 30.000, mas codificam uma enorme quantidade de informações sobre o jovem Universo.
Se o Universo passou por inflação, deve haver uma temperatura máxima equivalente a energias significativamente mais baixas do que a escala de Planck (~ 1019 GeV), que é o que alcançaríamos em um passado densamente arbitrário e quente. Nossas observações dessas flutuações nos ensinam que o Universo não ficou mais quente do que cerca de 0,1% (~ 1016 GeV) desse máximo a qualquer momento, uma confirmação da inflação e uma explicação de por que não existem monopólos magnéticos ou defeitos topológicos em nosso Universo.
2.) A inflação deve possuir flutuações quânticas que se tornam imperfeições de densidade no Universo, que são 100% adiabáticas. Se você tem um universo em que uma região é mais densa (e mais fria) ou menos densa (e mais quente) que a média, essas flutuações podem ter natureza adiabática ou isocurvatura. Adiabático significa “entropia constante”, enquanto isocurvatura significa “curvatura espacial constante”, onde a maior diferença é como essa energia é distribuída entre diferentes tipos de partículas como matéria normal, matéria escura, neutrinos, etc.
Essa assinatura aparece hoje na estrutura de larga escala do Universo, permitindo medir qual fração é adiabática e qual fração é isocurvatura. Quando fazemos nossas observações, descobrimos que essas flutuações iniciais são pelo menos 98,7% adiabáticas (consistentes com 100%) e não mais que 1,3% (consistentes com 0%) de isocurvatura. Sem inflação, o Big Bang não faz tais previsões.
3.) Algumas flutuações devem estar em escalas super-horizontais: flutuações em escalas maiores que a luz podem ter viajado desde o quente Big Bang. Desde o momento do quente Big Bang, as partículas viajam pelo espaço a uma velocidade finita: não mais rápida que a velocidade da luz. Há uma escala específica – o que chamamos de horizonte cósmico – que representa a distância máxima que um sinal de luz poderia ter percorrido desde o quente Big Bang.
Sem inflação, as flutuações seriam limitadas à escala do horizonte cósmico. Com a inflação, uma vez que estende as flutuações quânticas que ocorrem durante essa fase de expansão exponencial, você pode ter flutuações no super horizonte: em escalas maiores que o horizonte cósmico. Essas flutuações foram observadas nos dados de polarização fornecidos pelos satélites WMAP e Planck, em perfeita concordância com a inflação e contrariando um Big Bang não inflacionário.
4.) Essas flutuações devem ser quase, mas não perfeitamente, invariantes à escala, com magnitudes um pouco maiores em escalas maiores que as pequenas. Todos os campos fundamentais do Universo são considerados quânticos por natureza, e o campo responsável pela inflação não é exceção. Todos os campos quânticos flutuam e, durante a inflação, essas flutuações se estendem por todo o Universo, onde fornecem as sementes de nossa estrutura cósmica moderna.
Na inflação, essas flutuações devem ser quase invariantes à escala, o que significa que são da mesma magnitude em todas as escalas, grandes e pequenas. Mas eles devem ser um pouco maiores em magnitude, em apenas alguns por cento, em escalas maiores. Usamos um parâmetro chamado índice espectral escalar (ns) para medi-lo, com ns = 1 correspondente à invariância perfeita da escala. Agora, medimos com precisão: 0,965, com uma incerteza de ~ 1%. Este pequeno afastamento da invariância da escala não tem explicação sem a inflação, mas a inflação o prevê perfeitamente.
Existem outras previsões de inflação cósmica também. A inflação prevê que o Universo deve ser quase perfeitamente plano, mas não exatamente, com o grau de curvatura caindo em algum lugar entre 0,0001% e 0,01%. O índice espectral escalar, medido para se afastar um pouco da invariância da escala, deve “rolar” (ou mudar durante os estágios finais da inflação) em cerca de 0,1%. E deve haver um conjunto não apenas de flutuações de densidade, mas também de ondas gravitacionais que surgem da inflação. Até agora, as observações são consistentes com tudo isso, mas ainda não atingimos o nível de precisão necessário para testá-las.
Mas quatro testes independentes são mais que suficientes para tirar uma conclusão. Apesar das vozes de alguns detratores que se recusam a aceitar essas evidências, agora podemos afirmar com confiança que fomos antes do Big Bang, e a inflação cósmica levou ao nascimento do nosso Universo. A próxima pergunta, sobre o que aconteceu antes do fim da inflação, está agora na fronteira da cosmologia do século XXI.
Publicado em 22/02/2020 10h42
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