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Relógios primordiais podem mostrar como Universo começou

Relógios primordiais podem mostrar como Universo começou
Partículas oscilantes surgidas logo após o Big Bang podem servir como relógios que permitirão remontar a história do Universo. [Imagem: Yi Wang/Xingang Chen]

Teorias e observações

Como o universo começou? E o que havia antes do Big Bang? Astrônomos e astrofísicos já se faziam essas perguntas muito antes que se descobrisse que o nosso Universo está em expansão.

Mas as respostas não têm sido fáceis de encontrar.

Não contando as teorias que descartam totalmente a ideia do Big Bang, o cenário teórico mais aceito para o início do Universo é a inflação cósmica, que prevê que o Universo se expandiu a uma taxa exponencial na primeira fração de segundo após o Big Bang.

No entanto, vários cenários alternativos têm sido sugeridos, alguns prevendo um Big Crunch, um Grande Colapso, anterior ao Big Bang, ou Grande Explosão, com um Universo "elástico" que se contrai e se expande continuamente.

A dificuldade é encontrar medidas que possam indicar quais desses cenários encontram mais respaldo nas observações astronômicas.

Radiação Cósmica de Fundo

Relógios primordiais podem mostrar como Universo começou
Esta é a imagem da radiação cósmica de fundo, conforme dados do observatório WMAP. [Imagem: NASA]

A fonte de informações preferida sobre o início do Universo é a radiação cósmica de fundo (CMB) - o brilho remanescente do Big Bang que permeia todo o espaço. Esse brilho parecia ser homogêneo e uniforme nas primeiras observações, mas após uma inspeção mais cuidadosa se viu que ela não apenas varia em sua extensão, como também mostra um "supervazio" no Universo ainda sem explicações.

A abordagem mais em voga tem sido procurar as ondas gravitacionais geradas durante o Universo primordial, que poderiam ter afetado a radiação cósmica de fundo, explicando suas variações. Mas isto vai ter que esperar o aprimoramento dos detectores de ondas gravitacionais.

Dimensão temporal

Uma abordagem alternativa agora está sendo proposta por Xingang Chen e Mohammad Hossein Namjoo (Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica) e Yi Wang (Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong).

Ainda que os estudos experimentais e teóricos tenham permitido identificar as variações espaciais na radiação cósmica de fundo, eles não têm o elemento-chave do tempo. Sem um relógio para medir a passagem do tempo, não é possível saber qual estrutura surgiu primeiro e a história evolutiva do Universo primordial não pode ser determinada de forma inequívoca.

É como tentar colocar em ordem os quadros de um filme sem considerar sua sequência temporal e ainda querer que o filme faça sentido.

Relógios primordiais podem mostrar como Universo começou
Várias observações também têm questionado a idade do Universo calculada pelo modelo do Big Bang, como uma estrela Matusalém. [Imagem: DSS/STScI/AURA/Palomar/Caltech/UKSTU/AAO]

Relógios primordiais

A novidade é que os três pesquisadores defendem que esses relógios existem, e podem ser usados para medir a passagem do tempo no momento do nascimento do Universo e como seus acontecimentos se estamparam no quadro da radiação cósmica de fundo conforme ela é captada hoje.

Muitos acreditam que as variações na radiação cósmica de fundo vêm de flutuações quânticas presentes no nascimento do Universo, que têm sido esticadas conforme o Universo se expande. Assim, os relógios primordiais assumiriam a forma de partículas pesadas, cuja existência é prevista em algumas "teorias de tudo", que pretendem unificar a mecânica quântica e a relatividade geral.

Partículas subatômicas pesadas se comportam como um pêndulo, oscilando para trás e para frente de forma universal e padronizada. Elas podem até mesmo sacudir quantum-mecanicamente, sem precisarem ser inicialmente empurradas. Essas oscilações quânticas funcionariam como tique-taques de um relógio, adicionando etiquetas de tempo para a pilha de quadros naquela analogia com um filme.

"Os tique-taques desses relógios-padrão primordiais criariam sacudidelas correspondentes nas medições da radiação cósmica de fundo, cujo padrão é único para cada cenário," explicou Yi Wang.

Relógios primordiais podem mostrar como Universo começou
Um teólogo medieval antecipou uma das teorias cosmológicas atuais, chamada Teoria dos Multiversos. [Imagem: Tom C. B. McLeish et al.]

Em busca dos relógios primordiais

Os dados atuais não são precisos o suficiente para detectar essas pequenas variações, mas experimentos já em andamento deverão melhorar muito a situação.

Projetos como BICEP3, Observatório Keck, EBEX e muitos outros experimentos similares em todo o mundo vão reunir dados incrivelmente precisos sobre a radiação cósmica de fundo, ao mesmo tempo em que procuram pelas ondas gravitacionais. Se as oscilações dos relógios-padrão primordiais forem fortes o suficiente, os experimentos poderão encontrá-los nos próximos dez anos.

Elementos para sustentar a nova teoria podem vir também de outras linhas de investigação, como mapas da estrutura em larga escala do Universo, incluindo as galáxias e o hidrogênio cósmico.

E, uma vez que os relógios-padrão primordiais seriam um componente da "teoria de tudo", encontrá-los também forneceria indícios para uma física além do Modelo Padrão em uma escala de energia inacessível para os aceleradores de partículas.

Bibliografia:

Quantum Primordial Standard Clocks
Xingang Chen, Mohammad Hossein Namjoo, Yi Wang
http://arxiv.org/abs/1509.03930




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