Nosso universo passou por inúmeras "grandes flexões" e "grandes saltos"?

A interpretação de um artista do Big Bang. Crédito da imagem: © Scott Wiessinger (USRA): Produtor Principal Aaron E. Lepsch (ADNET): Suporte Técnico Krystofer Kim (USRA): Animador Principal

No início, havia uma pequena bola de matéria infinitamente densa. Então, tudo explodiu, dando origem aos átomos, moléculas, estrelas e galáxias que vemos hoje.

Ou pelo menos é o que os físicos nos dizem nas últimas décadas.

Mas uma nova pesquisa em física teórica revelou recentemente uma possível janela para o universo inicial, mostrando que pode não ser “muito cedo” afinal. Em vez disso, pode ser apenas a última iteração de um ciclo de bang-bounce que está acontecendo há... bem, pelo menos uma vez, e possivelmente para sempre.

É claro que, antes que os físicos decidam descartar o Big Bang em favor de um ciclo bang-bounce, essas previsões teóricas precisarão sobreviver a um ataque de testes de observação.

Os cientistas têm uma imagem muito boa do universo primitivo, algo que conhecemos e amamos como a teoria do Big Bang. Neste modelo, há muito tempo o universo era muito menor, muito mais quente e muito mais denso do que é hoje. Naquele inferno inicial, há 13,8 bilhões de anos, todos os elementos que nos fazem o que somos foram formados no espaço de cerca de uma dúzia de minutos.

Ainda mais cedo, esse pensamento continua, em algum momento todo o nosso universo, todas as estrelas, todas as galáxias, tudo, era do tamanho de um pêssego e tinha uma temperatura de mais de um quatrilhão de graus.

Surpreendentemente, esta história fantástica mantém todas as observações atuais. Os astrônomos fizeram de tudo, desde observar a radiação eletromagnética remanescente do universo jovem até medir a abundância dos elementos mais leves e descobriram que todos se alinham com o que o Big-Bang prevê. Tanto quanto podemos dizer, este é um retrato preciso do nosso universo primitivo.

Mas, por melhor que seja, sabemos que a imagem do Big Bang não está completa, falta uma peça do quebra-cabeça, e essa peça são os primeiros momentos do próprio universo.

Essa é uma peça bem grande.

O QUE É A TEORIA ECPIRÓTICA?

O problema é que a física que usamos para entender o universo primitivo (uma mistura maravilhosamente complicada de relatividade geral e física de partículas de alta energia) pode nos levar apenas até certo ponto antes de entrar em colapso. À medida que tentamos ir cada vez mais fundo nos primeiros momentos do nosso cosmos, a matemática fica cada vez mais difícil de resolver, até o ponto em que simplesmente... para.

O principal sinal de que temos terreno ainda a ser explorado é a presença de uma "singularidade", ou ponto de densidade infinita, no início do Big Bang. Tomado pelo valor de face, isso nos diz que em um ponto, o universo foi espremido em um ponto infinitamente pequeno e infinitamente denso. Isso é obviamente absurdo, e o que realmente nos diz é que precisamos de uma nova física para resolver esse problema, nosso kit de ferramentas atual não é bom o suficiente.

Para salvar o dia, precisamos de uma nova física, algo que seja capaz de lidar com a gravidade e as outras forças, combinadas, em energias ultra-altas. E é exatamente isso que a teoria das cordas afirma ser: Um modelo da física capaz de lidar com a gravidade e as outras forças, combinadas, em energias ultra-altas. O que significa que a teoria das cordas afirma que pode explicar os primeiros momentos do universo.

Uma das primeiras noções da teoria das cordas é o universo "ecpirótico", que vem da palavra grega para "conflagração", ou fogo. Nesse cenário, o que conhecemos como Big Bang foi desencadeado por algo que aconteceu antes dele, o Big Bang não foi um começo, mas uma parte de um processo maior.

A extensão do conceito ecpirótico levou a uma teoria, novamente motivada pela teoria das cordas, chamada cosmologia cíclica. Suponho que, tecnicamente, a ideia do universo se repetindo continuamente tem milhares de anos e é anterior à física, mas a teoria das cordas deu à ideia uma base matemática firme. O universo cíclico funciona exatamente como você pode imaginar, continuamente saltando entre big bangs e big crunches, potencialmente para a eternidade de volta no tempo e para a eternidade no futuro.

O QUE ACONTECEU ANTES DO BIG BANG?

Por mais legal que isso pareça, as primeiras versões do modelo cíclico tinham dificuldades em combinar as observações, o que é muito importante quando você está tentando fazer ciência e não apenas contar histórias ao redor da fogueira. 

O principal obstáculo foi concordar com nossas observações da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a luz fóssil remanescente de quando o universo tinha apenas 380.000 anos. Embora não possamos ver diretamente além dessa parede de luz, se você começar a mexer teoricamente com a física do cosmos jovem, afetará esse padrão de luz pós-brilho.

E assim, pareceria que um universo cíclico seria uma ideia legal, mas incorreta.

Mas a tocha ecpirótica foi mantida acesa ao longo dos anos, e um artigo publicado em março de 2020 explorou as rugas na matemática e descobriu algumas oportunidades perdidas anteriormente. Os dois físicos autores do estudo, Robert Brandenberger e Ziwei Wang, ambos da Universidade McGill, no Canadá, descobriram que no momento do "salto", quando nosso universo encolhe a um ponto incrivelmente pequeno e retorna ao estado de Big Bang, é possível alinhar tudo para obter o resultado adequado testado observacionalmente.

Em outras palavras, a física complicada (e, reconhecidamente, mal compreendida) dessa época crítica pode de fato permitir uma visão radicalmente revisada de nosso tempo e lugar no cosmos.

Mas para testar completamente esse modelo, teremos que esperar por uma nova geração de experimentos de cosmologia. Então vamos esperar para abrir o champanhe ecpirótico.

RECURSOS ADICIONAIS

Para uma visão geral da teoria do Big Bang, confira "Your Place in the Universe" de Paul M. Sutter, que cobre a história do desenvolvimento da teoria ao lado da história do próprio universo. A série de vídeos PBS Spacetime tem um ótimo vídeo explorando as opções para o que pode ter causado o Big Bang. Outro vídeo, publicado pela Simons Foundation, apresenta o físico Paul Steinhardt explicando a ideia do Big Bounce.

BIBLIOGRAFIA

• Kolb, E. e Turner, M. "The Early Universe", New York Westview Press, 1994. https://www.amazon.com/Early-Universe-Frontiers-Physics/dp/0201626748
• Peacock, JA "Cosmological Physics", Cambridge University Press, 1998. https://www.amazon.com/Cosmological-Physics-Cambridge-Astrophysics-Peacock/dp/0521422701
• Weinberg, S. "Gravitação e Cosmologia: Princípios e Aplicações da Teoria Geral da Relatividade", Wiley & Sons, 1972. https://www.amazon.com/Gravitation-Cosmology-Principles-Applications-Relativity/dp/0471925675

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Referência:

SUTTER, Paul M. What happened before the Big Bang? Space, 11, fev. 2022. Disponível em: <https://www.space.com/what-came-before-big-bang.html>. Acesso em: 22, ev. 2022.