Físicos simularam a estrutura quântica primordial do nosso universo

Físicos simularam a estrutura quântica primordial do nosso universo

15 de agosto de 2022 0 Por ucrhyan
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Olhe o suficiente para os céus, e o Universo começa a se assemelhar a uma cidade à noite. Galáxias assumem características de postes de luz que entulham bairros de matéria escura, ligados por estradas de gás que correm ao longo das margens do nada intergaláctico.

Este mapa do Universo foi pré-ordenado, apresentado no menor dos arrepios da física quântica momentos após o Big Bang ter lançado uma expansão do espaço e do tempo cerca de 13,8 bilhões de anos atrás.

No entanto, exatamente quais foram essas flutuações e como elas puseram em movimento a física que veria os átomos se agruparem nas estruturas cósmicas massivas que vemos hoje ainda está longe de ser clara.

Uma análise matemática recente dos momentos após um período chamado de época inflacionária revela que algum tipo de estrutura pode ter existido mesmo dentro da fornalha quântica fervilhante que preenchia o universo infantil, e poderia nos ajudar a entender melhor seu layout hoje.

Astrofísicos da Universidade de Göttingen, na Alemanha, e da Universidade de Auckland, na Nova Zelândia, usaram uma mistura de simulações de movimento de partículas e um tipo de modelagem gravitacional/quântica para prever como as estruturas podem se formar na condensação de partículas após a inflação.

A escala desse tipo de modelagem é um pouco alucinante. Estamos falando de massas de até 20 quilos espremidas em um espaço de apenas 10 a 20 metros de diâmetro, em uma época em que o Universo tinha apenas 10 a 24 segundos.

“O espaço físico representado por nossa simulação caberia em um único próton um milhão de vezes”, disse o astrofísico Jens Niemeyer, da Universidade de Göttingen.

“É provavelmente a maior simulação da menor área do Universo que foi realizada até agora.”

A maior parte do que sabemos sobre esse estágio inicial da existência do Universo é baseado apenas nesse tipo de investigação matemática. A luz mais antiga que ainda podemos ver piscando no Universo é a Radiação Cósmica de Fundo (CMB), e todo o show já estava na estrada há cerca de 300.000 anos até então.

Mas dentro desse fraco eco de radiação antiga há algumas pistas sobre o que estava acontecendo.

A luz do CMB foi emitida como partículas básicas combinadas em átomos da sopa quente e densa de energia, no que é conhecido como a época da recombinação.

Um mapa dessa radiação de fundo no céu mostra que nosso Universo já tinha algum tipo de estrutura com algumas centenas de milhares de anos de idade. Havia pedaços um pouco mais frios e pedaços um pouco mais quentes que poderiam empurrar a matéria para áreas que eventualmente veriam estrelas incendiarem, galáxias em espiral e massas se agruparem na cidade cósmica que vemos hoje.

Isso levanta uma questão.

O espaço que compõe o nosso Universo está se expandindo, o que significa que o Universo já deve ter sido muito menor. Portanto, é lógico que tudo o que vemos ao nosso redor agora já foi amontoado em um volume muito confinado para que essas manchas quentes e frias surgissem.

Como uma xícara de café em uma fornalha, não havia como qualquer parte esfriar antes de aquecer novamente.

O período inflacionário foi proposto como forma de corrigir esse problema. Dentro de trilionésimos de segundo do Big Bang, nosso Universo saltou de tamanho em uma quantidade insana, essencialmente congelando quaisquer variações de escala quântica no lugar.

Dizer que isso aconteceu em um piscar de olhos ainda não faria justiça. Teria começado cerca de 1036 segundos após o Big Bang e terminado em 1032 segundos. Mas era longo o suficiente para que o espaço tomasse proporções que impedissem que pequenas variações de temperatura se suavizassem novamente.

Os cálculos dos pesquisadores se concentram neste breve instante após a inflação, demonstrando como as partículas elementares congeladas da espuma das ondulações quânticas naquele momento poderiam ter gerado breves halos de matéria densa o suficiente para enrugar o próprio espaço-tempo.

“A formação de tais estruturas, bem como seus movimentos e interações, deve ter gerado um ruído de fundo de ondas gravitacionais”, disse o astrofísico Benedikt Eggemeier, da Universidade de Göttingen, o primeiro autor do estudo.

“Com a ajuda de nossas simulações, podemos calcular a força desse sinal de onda gravitacional, que pode ser mensurável no futuro.”

Em alguns casos, as massas intensas de tais objetos podem ter puxado matéria para buracos negros primordiais, objetos que supostamente contribuem para a misteriosa atração da matéria escura.

O fato de o comportamento dessas estruturas imitar a aglomeração em grande escala do nosso Universo hoje não significa necessariamente que seja diretamente responsável pela distribuição atual de estrelas, gás e galáxias.

Mas a física complexa que se desenrola entre essas partículas recém-assadas ainda pode ser visível no céu, entre aquela paisagem ondulante de luzes cintilantes e vazios escuros que chamamos de Universo.