Um novo modelo do universo primitivo propõe que o gráviton, o portador da força mecânica quântica da gravidade, inundou o cosmos com matéria escura antes mesmo da matéria normal ter a chance de começar.
A proposta pode ser uma maneira de conectar dois dos maiores quebra-cabeças pendentes da cosmologia moderna: a natureza da matéria escura e a história da inflação cósmica.
Muitos cosmólogos pensam que quando o universo era incrivelmente jovem (ou seja, com menos de uma fração de segundo de idade), ele experimentou um período de expansão incrivelmente rápida conhecido como inflação. Essa época inflacionária foi fundamental para a evolução futura do universo, pois essa incrível expansão transformou as microscópicas flutuações quânticas do espaço-tempo nas sementes que um dia se tornariam estrelas, galáxias e aglomerados.
O evento real da inflação é bastante misterioso. Por exemplo, os cosmólogos não sabem o que desencadeou a inflação, o que a alimentou, quanto tempo durou ou quando desligou.) Mas esta imagem geral é a única que pode explicar os padrões encontrados no fundo cósmico de microondas padrão formado quando o universo tinha 380.000 anos) e a distribuição em larga escala da matéria no universo. As estatísticas desses padrões correspondem ao que vemos nas flutuações quânticas, o que dá aos cosmólogos a confiança de que precisam para levantar a hipótese de que há uma ligação.
No final da inflação, o cosmos era muito maior do que era antes. Mas também estava muito mais vazio, pois todos os conteúdos que antes estavam no universo acabaram de ser lançados para longe um do outro. Restava apenas uma coisa: o que quer que tenha impulsionado a inflação em primeiro lugar, mas acabou perdendo força. Os cosmólogos chamam essa força motriz de “inflaton” e acham que foi um campo quântico que encharcou todo o espaço.
Quando a inflação acabou, o inflaton decaiu, inundando o universo com a variedade de partículas que vemos nos dias atuais. De muitas maneiras, a inflação foi o “verdadeiro” Big Bang. Se você imaginar um universo vazio de repente rico com uma explosão de partículas, então é isso.
Matéria escura silenciosa
Quando a inflação terminou, desencadeou a criação de todas as partículas conhecidas. Então, presumivelmente, esse mesmo evento também fabricou matéria escura. Os cosmólogos não têm certeza do que a matéria escura é feita, mas uma abundância de evidências sugere que é um tipo novo e desconhecido de partícula. Seja o que for essa partícula, ela representa mais de 80% de toda a matéria do universo.
Os físicos passaram décadas procurando por quaisquer indícios de uma interação direta entre partículas de matéria escura e matéria normal, sem sucesso. Se a matéria escura é de fato uma partícula, então ela realmente não gosta de falar com a matéria normal. Essa não detecção de matéria escura é bastante irritante para a história da inflação, porque se a matéria escura não fala com a matéria normal, há poucas razões para que o inflaton crie matéria escura junto com a matéria normal no início do universo.
Agora, um par de físicos do Instituto de Física de Helsinque propôs um novo mecanismo para gerar muita matéria escura no início do universo, mesmo que o inflaton não gostasse de produzir matéria escura. E esse novo mecanismo depende puramente da gravidade.
Esse mecanismo, que os físicos descreveram em um artigo no banco de dados de pré-impressão arXiv, assume que o inflaton e a matéria escura não conversam entre si, então a partícula de matéria escura não é produzida da maneira normal no final da inflação.
Em vez disso, os pesquisadores examinaram o comportamento do inflaton pouco antes de decair. No final da inflação, pouco antes de o inflaton ir embora e dar origem ao zoológico de partículas do nosso universo, o inflaton se espalha pelo cosmos como uma bola que acabou de rolar por uma colina íngreme, mas ainda não se estabeleceu.
Os cosmólogos chamam essa etapa de fase de pré-aquecimento do decaimento do inflaton, e isso pode dar origem a alguma física maluca. Por exemplo, nesta breve fase, a própria gravidade pode desempenhar um papel importante, permitindo que o inflaton se conecte à partícula de matéria escura. Nesse caso, a gravidade assume a forma de seu suposto portador de força mecânica quântica, o gráviton. Normalmente, o gráviton não participa das reações das partículas, mas os físicos encontraram uma maneira de ele aparecer na fase de pré-aquecimento próximo ao final da inflação.
A dupla descobriu que quando o gráviton aparece nas interações de partículas nessa época, ele pode fornecer canais para o inflaton decair em partículas de matéria escura. Essas partículas de matéria escura já estariam presentes no universo antes que o resto da matéria normal seguisse o exemplo quando o inflaton finalmente foi embora.
Esse mecanismo funciona apenas quando o espaço está fazendo algo interessante, como expandir rapidamente durante a inflação. E assim, quando a inflação finalmente alterou a capacidade do universo de criar, as partículas de matéria escura desapareceram.
Os físicos ajustaram seu modelo para criar a quantidade certa de matéria escura que as observações do cosmos exigem. No entanto, ainda é um trabalho teórico. Mais importante, os físicos não sabem exatamente como a gravidade interage com as partículas. Este é o regime da gravidade quântica, uma teoria da gravidade forte em pequenas escalas, que é o atual santo graal da física moderna. Então, para seu trabalho, os coautores do artigo tiveram que fazer muitas suposições sobre como a gravidade operava nessas escalas.
Ainda assim, a ideia é interessante porque fornece uma maneira para o universo primitivo produzir quantidades significativas de matéria escura e para que a matéria escura (essencialmente) nunca mais fale com a matéria normal.
Publicado em 12/04/2022 08h00
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