O universo jovem era um lugar agitado.

Este gráfico mostra uma linha do tempo do universo com base na teoria do Big Bang e nos modelos de inflação. Crédito da imagem: NASA / WMAP

Acredite ou não, os físicos estão tentando entender o universo quando ele tinha apenas alguns segundos. 

Mas a situação aqui é complexa, para dizer o mínimo, e embora tenhamos feito avanços significativos, ainda há muito a aprender. De buracos negros em miniatura a interações exóticas, o universo jovem era um lugar agitado.

Os conhecidos

Vamos começar com a estrutura geral. 13,77 bilhões de anos atrás, nosso universo era incrivelmente quente (uma temperatura de mais de um quatrilhão de graus) e incrivelmente pequeno (aproximadamente do tamanho de um pêssego). Os astrônomos suspeitam que, quando nosso cosmos tinha menos de um segundo, ele passou por um período de expansão incrivelmente rápida, conhecido como inflação.

Este evento de inflação foi talvez a época mais transformadora que já ocorreu na história do nosso universo. Em menos de um piscar de olhos, nosso universo se tornou incrivelmente maior (aumentando em um fator de pelo menos 10^52). Quando essa fase de expansão rápida acabou, o que quer que tenha causado a inflação em primeiro lugar (não temos certeza do que) decaiu, inundando o universo com matéria e radiação (não temos certeza de como).

Poucos minutos depois (literalmente), os primeiros elementos surgiram. Antes dessa época, o universo era muito quente e muito denso para que qualquer coisa estável se formasse, era apenas uma mistura gigante de quarks (os blocos de construção fundamentais dos núcleos atômicos) e glúons (os portadores da força nuclear forte). Mas assim que o universo teve uma dúzia de minutos saudáveis, ele se expandiu e esfriou o suficiente para que os quarks pudessem se ligar, formando os primeiros prótons e nêutrons. Esses prótons e nêutrons produziram o primeiro hidrogênio e hélio (e um pouco de lítio), que continuaram centenas de milhões de anos depois para construir as primeiras estrelas e galáxias.

A partir da formação dos primeiros elementos, o universo apenas se expandiu e resfriou, eventualmente se tornando um plasma, e então um gás neutro. 

Embora saibamos que essa história genérica está correta, também sabemos que faltam muitos detalhes, especialmente na época anterior à formação dos primeiros elementos. Alguma física tímida pode ter estado em operação quando o universo tinha apenas alguns segundos, e atualmente está além de nossa compreensão teórica, mas isso não nos impede de tentar.

Este gráfico mostra uma linha do tempo do universo com base na teoria do Big Bang e nos modelos de inflação. Crédito da imagem: NASA / WMAP

Os desconhecidos conhecidos

Um artigo publicado recentemente na revista pré-impressa arXiv, e aceito para publicação no The Open Journal of Astrophysics, apresenta alguns dos cenários mais exóticos do universo primordial.

Por exemplo, há toda a questão sobre a matéria escura. Não sabemos do que é feita a matéria escura, mas sabemos que ela é responsável por mais de 80% da matéria no universo. Temos uma história bem compreendida de como a matéria normalmente se originou na sopa quente e densa do cosmos primitivo, mas não temos ideia de quando ou como a matéria escura entrou em cena. Ela apareceu nos primeiros segundos? Ou muito depois? Isso bagunçou a química cósmica que levou aos primeiros elementos ou ficou em segundo plano?

Nós não sabemos.

Depois, há a própria inflação. Não sabemos o que forneceu a fonte de energia para o incrível evento de expansão, não sabemos por que durou tanto tempo e não sabemos o que acabou por interrompê-la. Talvez a inflação tenha durado mais tempo do que supomos e se manifestado por um segundo inteiro, em vez da pequena fração que presumimos. 

Aqui está mais uma: há um espinho enorme no lado de cada cosmologista conhecido como assimetria matéria-antimatéria. Vemos por experiências que a matéria e a antimatéria são perfeitamente simétricas: para cada partícula de matéria produzida em reações em todo o universo, há também uma partícula de antimatéria correspondente. Mas quando olhamos ao redor do cosmos, vemos montes e montes de matéria normal e nenhuma gota de antimatéria à vista. Algo enorme deve ter acontecido nos primeiros segundos da existência do universo para desequilibrar esse equilíbrio. Mas quanto a quem ou o que foi o responsável e o mecanismo exato, não temos certeza.

E se a matéria escura, a inflação e a antimatéria não fossem suficientes, também há a possibilidade de que o universo primitivo tenha fabricado uma enxurrada de pequenos buracos negros. Os buracos negros no cosmos atual (isto é, nos últimos 13 bilhões de anos) vêm todos da morte de estrelas massivas. Esses são os únicos lugares onde a densidade da matéria pode atingir os limites críticos necessários para desencadear a formação de buracos negros. Mas no exótico universo primordial, fragmentos aleatórios do cosmos podem ter alcançado densidade suficiente, desencadeando a criação de buracos negros sem ter que passar por toda a formação estelar primeiro. Pode ser.

Indo mais fundo

Embora nossa teoria do Big Bang seja apoiada por uma riqueza de dados observacionais, existem muitos mistérios para satisfazer a curiosidade de gerações de cosmologistas. Felizmente, não somos completamente cegos quando tentamos estudar esta época inicial. 

Por exemplo, mesmo que não possamos ver diretamente o estado do universo quando ele tinha apenas alguns segundos, podemos tentar recriar essas condições em nossos poderosos aceleradores de partículas. Não é perfeito, mas pelo menos pode nos ensinar sobre a física desse tipo de ambiente.

Também podemos procurar pistas que sobraram dos primeiros segundos. Qualquer coisa estranha acontecendo que então teria deixado sua marca no universo posterior. Mudar a quantidade de matéria escura ou uma inflação persistente perturbaria a criação de hidrogênio e hélio, algo que podemos medir hoje. 

E o universo fez a transição de um plasma para um gás neutro quando tinha 380.000 anos de idade. A luz liberada então persistiu na forma de radiação cósmica de fundo. Se o universo exibisse um monte de pequenos buracos negros, eles afetariam esse padrão de luz residual.

Podemos até esperar observar essa época diretamente. Não com luz, mas com ondas gravitacionais. Esse inferno caótico deve ter liberado uma torrente de ondulações no tecido do espaço-tempo, que como a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, teria sobrevivido até os dias atuais. Ainda não temos capacidade tecnológica para observar diretamente essas ondas gravitacionais, mas a cada dia nos aproximamos.

E talvez, quando o fizermos, teremos um vislumbre do universo recém-nascido.

- Paul M. Sutter é astrofísico da SUNY Stony Brook e do Flatiron Institute, apresentador de Ask a Spaceman e Space Radio e autor de How to Die in Space . Ele contribuiu com este artigo para Expert Voices: Opinions and Insights

Fonte: Space