A Inflação Não é Apenas Ciência, é a Origem do Nosso Universo

NASA, ESA e A. Feild (STScI) As estrelas e galáxias que vemos hoje nem sempre existiram, e quanto mais avançamos, mais perto de uma aparente singularidade o Universo obtém, mas há um limite para essa extrapolação. Para percorrer todo o caminho, precisamos de uma modificação do Big Bang: a inflação cosmológica.

Para ser considerada uma teoria científica, há três coisas que sua ideia precisa fazer. Primeiramente, você tem que reproduzir todos os sucessos da teoria anterior e líder. Segundo, você precisa explicar um novo fenômeno que atualmente não é explicado pela teoria que você está tentando substituir. E terceiro, você precisa fazer uma nova previsão do que pode resultar e testar: onde sua nova ideia prevê algo completamente diferente ou novo da teoria pré-existente. Faça isso e você faz ciência. Faça isso com sucesso e se tornará a nova e mais importante teoria científica da sua área. Muitos físicos proeminentes recentemente saíram contra a inflação, com alguns afirmando que nem é ciência. Mas os fatos dizem o contrário. Não é apenas a ciência da inflação, é agora a principal teoria científica de onde vem o nosso universo.

C. Faucher-Giguère, A. Lidz e L. Hernquist, Science 319, 5859 (47) O Universo em expansão, cheio de galáxias e a estrutura complexa que observamos hoje, surgiu de um estado menor, mais quente, mais denso e mais uniforme. Mas mesmo esse estado inicial teve suas origens, com a inflação cósmica como o principal candidato de onde tudo veio.

O Big Bang foi confirmado pela primeira vez na década de 1960, com a observação da Cósmica de Fundo em Microondas. Desde a primeira detecção do brilho que sobrou, previsto a partir de um estado inicial quente e denso, conseguimos validar e confirmar as previsões do Big Bang de várias maneiras importantes. A estrutura em grande escala do Universo é consistente com a formação de um estado passado quase uniforme, sob a influência da gravidade ao longo de bilhões de anos. A expansão Hubble e a temperatura no passado distante são consistentes com um Universo de expansão e resfriamento cheio de matéria e energia de vários tipos. As abundâncias de hidrogênio, hélio, lítio e seus vários isótopos correspondem às previsões de um estado inicial, quente e denso. E o espectro de corpos negros do brilho remanescente do Big Bang corresponde precisamente às nossas observações.

Smoot Cosmology Group / Lawrence Berkeley Labs A luz da cósmica de fundo em microondas e o padrão de flutuações dela nos dá um modo de medir a curvatura do Universo. Para o melhor de nossas medições, para dentro de 1 parte em cerca de 400, o Universo é perfeitamente plano espacialmente.

Mas há uma série de coisas que observamos que o Big Bang não explica. O fato de que o Universo é a mesma temperatura exata em todas as direções, para melhor que 99,99%, é um fato observacional sem uma causa teórica. O fato de que o Universo, em todas as direções, parece ser espacialmente plano (ao invés de curvado positiva ou negativamente), é outro fato verdadeiro sem uma explicação. E o fato de não haver relíquias de alta energia, como monopolos magnéticos, é uma curiosidade que não esperaria se o Universo começasse de um estado densamente quente e arbitrário.

ESA e a Colaboração Planck As flutuações na Antecedente da Micro-ondas Cósmica são de magnitude tão pequena e de um padrão tão particular que indicam fortemente que o Universo começou com a mesma temperatura em todo o lado, um facto para o qual o Big Bang não oferece explicação.

Em outras palavras, a implicação é que, apesar de todos os sucessos do Big Bang, não explica tudo sobre a origem do Universo. Ou podemos olhar para esses fenômenos e conjecturas inexplicáveis, “talvez o universo tenha simplesmente nascido dessa maneira”, ou podemos procurar uma explicação que atenda às nossas exigências de uma teoria científica. Foi exatamente o que Alan Guth fez em 1979, quando ele topou pela primeira vez com a ideia da inflação cosmológica.

Caderno de Alan Guth de 1979, twittado via @SLAClab Em 1979, Alan Guth teve uma revelação de que um período de expansão exponencial no passado do Universo poderia estabelecer e fornecer as condições iniciais para o Big Bang.

A grande ideia da inflação cósmica era que o Universo cheio de matéria e radiação, aquele que estava se expandindo e esfriando por bilhões de anos, surgiu de um estado muito diferente que existia antes do que conhecemos como nosso Universo observável. Em vez de ser preenchido com matéria e radiação, o espaço estava cheio de energia a vácuo, o que fez com que ela se expandisse não apenas rapidamente, mas exponencialmente, o que significa que a taxa de expansão não diminui com o tempo enquanto a inflação continua. É somente quando a inflação chega ao fim que essa energia do vácuo é convertida em matéria, antimatéria e radiação, e os resultados quentes do Big Bang.

E. Siegel / Além da Galáxia Esta ilustração mostra regiões onde a inflação continua no futuro (azul) e onde termina, dando origem a um Big Bang e um Universo como o nosso (X vermelho). Note que isso poderia voltar indefinidamente, e nunca saberíamos.

Era geralmente reconhecido que a inflação, se fosse verdade, resolveria aqueles três enigmas que o Big Bang só poderia postular como condições iniciais: os problemas de horizonte (temperatura), planicidade (curvatura) e monopolos (falta de relíquias). No início da década de 1980, muito trabalho foi ao encontro desse primeiro critério: reproduzir os sucessos do Big Bang. A chave era chegar a um Universo homogêneo e isotrópico com condições que correspondessem ao que observávamos.

E. Siegel / Google Graph As duas classes mais simples de potenciais inflacionários, com inflação caótica (L) e nova inflação (R) mostrada.

Depois de alguns anos, tivemos duas classes genéricas de modelos que funcionaram:

1. Modelos de “nova inflação”, onde a energia do vácuo começa no topo de uma colina e desce, com a inflação terminando quando a bola rola para o vale, e
2. Modelos de “inflação caótica”, em que a energia do vácuo começa com um potencial semelhante a uma parábola, entrando no vale para acabar com a inflação.

Ambas as classes de modelos reproduziam os sucessos do Big Bang, mas também faziam uma série de previsões bastante genéricas semelhantes para o universo observável. Eles eram os seguintes:

E. Siegel, com imagens derivadas de ESA / Planck e do grupo de trabalho interagências DoE / NASA / NSF sobre pesquisa da CMB Os primeiros estágios do Universo, antes do Big Bang, são os que estabelecem as condições iniciais de que tudo o que vemos hoje evoluiu.

1. O Universo deve ser quase perfeitamente plano. Sim, o problema do nivelamento foi uma das motivações originais para isso, mas na época, tínhamos restrições muito fracas. 100% do Universo poderia estar em questão e 0% em curvatura; 5% poderia ser matéria e 95% poderia ser curvatura, ou em qualquer lugar entre. A inflação, genericamente, previu que 100% precisavam ser “matéria mais qualquer outra coisa”, mas a curvatura deveria estar entre 0,01% e 0,0001%. Esta previsão foi validada pelo nosso modelo ΛCDM, onde 5% é matéria, 27% é matéria escura e 68% é energia escura; a curvatura é limitada a 0,25% ou menos. Como as observações continuam a melhorar, podemos, de fato, algum dia ser capazes de medir a curvatura não-zero prevista pela inflação.
2. Deve haver um espectro de flutuações quase invariável em escala. Se a física quântica é real, então o Universo deveria ter experimentado flutuações quânticas mesmo durante a inflação. Essas flutuações devem ser estendidas, exponencialmente, pelo Universo. Quando a inflação termina, essas flutuações devem se transformar em matéria e radiação, dando origem a regiões densas e sub-densas que se transformam em estrelas e galáxias, ou grandes vazios cósmicos. Por causa de como a inflação prossegue nos estágios finais, as flutuações devem ser ligeiramente maiores em escalas pequenas ou grandes, dependendo do modelo de inflação, o que significa que deve haver um ligeiro afastamento da invariância de escala perfeita. Se a invariância de escala fosse exata, um parâmetro que chamamos de n_ s seria igual a 1; n_ s é observada ser 0,96, e não foi medido até WMAP na década de 2000.
3. Deve haver flutuações em escalas maiores do que a luz poderia ter viajado desde o Big Bang. Esta é outra consequência da inflação, mas não há como obter um conjunto coerente de flutuações em grandes escalas como essa sem que algo as estenda por distâncias cósmicas. O fato de vermos essas flutuações na cósmica de fundo em microondas e na estrutura em grande escala do Universo — e não as conhecemos até os satélites COBE e WMAP nas décadas de 1990 e 2000 — valida ainda mais a inflação.
4. Essas flutuações quânticas, que se traduzem em flutuações de densidade, devem ser adiabáticas. Flutuações podem ter ocorrido em diferentes tipos: adiabática, isocurvatura ou uma mistura das duas. A inflação previu que essas flutuações deveriam ter sido 100% adiabáticas, o que deveria deixar assinaturas únicas tanto no ambiente de microondas cósmica quanto na estrutura em grande escala do Universo. Observações confirmam que sim, de fato, as flutuações eram adiabáticas: de entropia constante em todos os lugares.
5. Deve haver um limite superior, menor que a escala de Planck, à temperatura do Universo no passado distante. Esta é também uma assinatura que aparece no fundo das microondas cósmicas: a que temperatura do Universo atingiu a temperatura mais alta. Lembre-se, se não houvesse inflação, o Universo deveria ter subido arbitrariamente altas temperaturas nos primeiros tempos, aproximando-se de uma singularidade. Mas com a inflação, há uma temperatura máxima que deve estar em energias mais baixas que a escala de Planck (~ 10¹⁹ GeV). O que vemos, a partir de nossas observações, é que o Universo alcançou temperaturas não superiores a cerca de 0,1% daquelas (~ 10¹⁶ GeV) a qualquer momento, confirmando ainda mais a inflação. Isto é ainda melhor solução para o problema do monopolo do que a inicialmente imaginada por Guth.
6. E finalmente, deve haver um conjunto de ondas gravitacionais primordiais, com um espectro particular. Assim como tínhamos um espectro quase perfeitamente invariante de escala de flutuações de densidade, a inflação prevê um espectro de flutuações de tensor na Relatividade Geral, que se traduz em ondas gravitacionais. A magnitude dessas flutuações depende do modelo da inflação, mas o espectro tem um conjunto de previsões exclusivas. Esta sexta previsão é a única que não foi verificada de forma alguma.

A contribuição das ondas gravitacionais que sobraram da inflação para a polarização do modo B da cósmica de fundo em Microondas tem uma forma conhecida, mas sua amplitude é dependente do modelo específico de inflação. Estes modos B das ondas gravitacionais da inflação ainda não foram observados.

Em todas as três contagens — de reproduzir os sucessos do Big Bang não-inflacionário, de explicar observações que o Big Bang não pode, e de fazer novas previsões que podem ser (e, em grande número, foram) verificadas — a inflação, sem dúvida, é bem sucedida Ciência. Ela faz isso de uma maneira que outras teorias que apenas dão origem a previsões não observáveis, como a teoria das cordas, não o fazem. Sim, quando os críticos falam sobre inflação e mencionam uma enorme quantidade de construção de modelos, isso é um problema; A inflação é uma teoria em busca de um modelo único, único e definitivo. É verdade que você pode criar um modelo tão complexo quanto quiser, e é virtualmente impossível descartá-los.

Uma variedade de modelos inflacionários e as flutuações escalares e tensoras previstas pela inflação cósmica. Note que as restrições observacionais deixam uma enorme variedade de modelos inflacionários como ainda válidos.

Mas isso não é uma falha inerente à teoria da inflação; é um indicador de que ainda não sabemos o suficiente sobre a mecânica da inflação para discernir quais modelos têm as características que o nosso Universo exige. É um indicador de que o próprio paradigma inflacionário tem limites para seu poder preditivo, e que um avanço adicional será necessário para levar a agulha adiante. Mas simplesmente porque a inflação não é a resposta final para tudo, não significa que não seja ciência. Pelo contrário, está exatamente de acordo com o que a ciência sempre se mostrou: o melhor kit de ferramentas da humanidade para entender o Universo, uma melhoria incremental de cada vez.

O astrofísico e autor Ethan Siegel é o fundador e principal escritor de Starts With A Bang! Seus livros, Treknology e Beyond The Galaxy , estão disponíveis onde quer que os livros sejam vendidos.