Uma simulação de ultra-alta resolução de uma pequena fatia do universo, um milhão de vezes menor que um próton, revelou as primeiras estruturas que já existiram. E essas estruturas densas são estranhas.

Mostrado aqui, um dos densos aglomerados de inflatos que surgiram durante a fase de inflação do Big Bang, no universo infantil. Crédito da imagem: Jens Niemeyer / Universidade de Göttingen

Nos primeiros trilionésimos de segundo após o Big Bang, o universo era um lugar quente, como uma sopa, aquecido a mais de um trilhão de graus. Embora os cientistas não possam observar diretamente este momento, eles podem reconstruí-lo usando simulações de computador de alta potência. 

As novas simulações, mais detalhadas do que nunca, mostraram como, nesses primeiros casos, a gravidade fazia com que as partículas quânticas conhecidas como ínflatons se aglomeravam. Os resultados mostraram pela primeira vez como essas protuberâncias formaram estruturas complexas e densas que pesavam entre alguns gramas e 20 kg, aproximadamente mais pesadas que um selo postal, mas mais leves que um buldogue, embaladas em um espaço menor que uma partícula elementar.

As simulações são as primeiras que mostram detalhes suficientes para que os cientistas possam decifrar a gama de tamanhos e formas dessas estruturas jovens. Além disso, os resultados combinaram elegantemente com um modelo teórico simples que tem quase 40 anos, disse o co-autor do estudo Richard Easther, professor de física da Universidade de Auckland.

"Estamos descobrindo essa fase incrivelmente complexa do início do universo, que está apenas começando a ser devidamente compreendida."

As simulações modelaram um momento no final da inflação, um período em que o universo cresceu enormemente. Naquela época, o universo continha apenas energia e ínflatons, um tipo de matéria quântica que se formou a partir do campo de energia que preencheu todo o espaço após o Big Bang.

Uma nova simulação mostra o crescimento de estruturas minúsculas e extremamente densas logo após a fase de inflação do universo inicial. Entre os estados inicial e final (superior esquerdo e direito respectivamente), a área mostrada se expandiu para 10 milhões de vezes seu volume inicial, mas ainda é muitas vezes menor do que o interior de um próton. O aglomerado ampliado na parte inferior esquerda teria uma massa de cerca de 20 quilos. Crédito da imagem: Jens Niemeyer / Universidade de Göttingen

Os físicos pensam que as estruturas do ínflaton vistas nas simulações resultaram de flutuações naquele campo de energia imediatamente após o Big Bang. Este mesmo campo provavelmente criou as estruturas galácticas em grande escala vistas no universo hoje, que têm bilhões de anos-luz de diâmetro.

As densas estruturas preenchidas pelo ínflaton vistas nas simulações provavelmente não duraram muito, pois provavelmente se transformaram em partículas elementares em frações de segundo. Mas com suas altas densidades, atingindo até 100.000 vezes mais densa do que o espaço circundante, seus movimentos e interações podem ter gerado ondulações no tecido do espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais. As novas simulações ajudarão os cientistas a calcular exatamente o quão grande essas ondas gravitacionais podem ter sido, o que ajudará futuros experimentos a procurar ondulações semelhantes no universo.

Os pequenos caroços também podem ter entrado em colapso com seu próprio peso, criando os primeiros buracos negros do universo, chamados de buracos negros primordiais. Alguns cientistas acham que esses buracos negros podem ser candidatos à matéria escura - a substância misteriosa que ninguém viu diretamente, mas que hoje representa 85% da matéria no universo. Os físicos não viram nenhum buraco negro em suas simulações, mas planejam fazer simulações mais longas e detalhadas no futuro, que podem mostrar esses objetos.

"Os buracos negros primordiais são uma possibilidade intrigante neste ponto, eles podem levar a um novo comportamento, mas também forneceriam novas alças para testar o modelo", escreveu Easther. Uma vez que alguns buracos negros primordiais devem persistir até o universo atual, encontrar um poderia ajudar a verificar os modelos dos cientistas desses primeiros momentos da infância do universo.

Easther e seus colegas publicaram um artigo descrevendo as simulações 22 de março na revista Physical Review D.

Originalmente publicado na Live Science.