Há algo assustadoramente semelhante na origem de nosso universo, chamado inflação cósmica, e na expansão acelerada da energia escura, que acabará por decidir seu destino. Isso levanta suspeitas de que esses fenômenos podem estar inter-relacionados. Esta semana, Andrew Gillett estava fazendo suas perguntas: se a teoria da inflação eterna for verdadeira, então a energia escura poderia ser um prenúncio de um retorno a esse estado primordial?
Não é apenas possível. Isso nem mesmo exige que a teoria esteja correta. Vamos começar nossa conversa com o estágio anterior ao nascimento do Universo na forma em que ele é conhecido por nós - com a inflação cósmica.
Quando o Universo que conhecemos, cheio de matéria e radiação nasceu, tinha várias propriedades bastante estranhas: espacialmente era plano, tinha a mesma temperatura em todos os lugares, não tinha resíduos de energia superelevada e tinha padrões muito estranhos na forma de regiões com excesso e densidade reduzida. É possível que o Universo já tenha nascido com essas condições. A teoria da inflação cósmica é a seguinte: se o universo começou com um período de expansão exponencial, no qual havia uma grande quantidade de energia inerente ao espaço, e então esse período terminou, então um Big Bang quente já teria ocorrido na presença de todas essas condições. Demorou um pouco para entender as implicações e ainda maispara confirmar a teoria com dados sobre as flutuações da radiação cósmica de fundo. Mas agora a inflação cósmica é considerada a primeira e mais importante de tudo isso na história do Universo, o que podemos confirmar com evidências.
A inflação perpétua é uma consequência da inflação baseada em propriedades nas quais raramente pensamos. Normalmente, quando há uma transição na natureza, digamos, uma panela de água fervente, a água na qual passa do estado líquido para o gasoso, esse processo de transição começa em diferentes pontos. Esses pontos se expandem e se fundem, criando grandes bolhas no momento em que alcançam a superfície. Quando falamos de água, dizemos que ela ferve. Durante o processo de fervura, pequenas bolhas sobem e se fundem em bolhas maiores quando chegam à superfície. Mas há um problema com a inflação. As áreas onde a inflação não termina em determinado momento continuam a se expandir exponencialmente, o que não permite que as áreas onde acabou “fervam”. Portanto, o Universo que observamos deve estar completamente em uma bolha,onde acabou a inflação, e não em inúmeras bolhas que fervem juntas.
Mas no final desse espectro, vemos o fato de que a expansão de nosso universo está aparentemente se acelerando. A melhor explicação para isso, com base em nossas medições mais precisas, é que existe um pequeno componente de energia inerente ao espaço, que chamamos de energia escura. Este componente energético é onipresente e uniformemente presente em todos os pontos do espaço. E é extremamente pequeno. Se o convertermos em massa de acordo com a fórmula de Einstein E = mc2, ele será igual a apenas um próton por metro cúbico do Universo. Mas o espaço não é apenas enorme, ele também está se expandindo! Com o passar do tempo, essa energia escura se torna cada vez mais importante. Com o tempo, após cerca de oito bilhões de anos, ele acelera a expansão do universo e então se torna o componente dominante de energia no universo.
Esses dois períodos de inflação e expansão acelerada em um estágio posterior podem parecer muito diferentes. A diferença nessas escalas de energia é simplesmente colossal, é de 10 à 120ª potência! Mas ambos os períodos representam a energia inerente ao espaço, ambos fazem com que a matéria no universo se expanda exponencialmente. E na presença do tempo (frações de segundos para a inflação e um trilhão de anos para a matéria escura), eles pegam tudo o que não está conectado em uma única estrutura no Universo e o espalham. Existem muitos desses modelos e, em sua essência, todos combinam inflação e energia escura.
Então, quais são as chances de que o universo comece a reciclar sua formação? Eles são grandes
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1. Se a energia escura é de fato uma constante cosmológica, poderia ser a energia residual do período inflacionário quando tudo começou. Nesse caso, há razão para dizer que na presença do tempo ele pode enfraquecer ainda mais, passando para um novo estado de energia muito mais baixo. Talvez essa transição dê um impulso ao surgimento de um grande número de partículas de massa extremamente baixa, como neutrinos, áxions ou algo ainda mais exótico. Essas partículas, por sua vez, irão se combinar e criar seus próprios análogos de estrelas, planetas e talvez a humanidade em uma escala de tempo suficientemente longa. Se não podemos ver esse processo, isso não significa de forma alguma que seja impossível. Talvez seja este o destino que aguarda nosso Universo em um futuro muito, muito distante, mesmo que leve muitos anos.
2. A energia escura pode não ser uma constante cosmológica, mas com o tempo pode aumentar. Se for assim, então ele vai crescer cada vez mais, o que pode levar ao cenário de um "grande rasgo", quando ao longo do tempo todas as estruturas conectadas no Universo se rompem. Mas em tal cenário, desenvolvido por Eric Gawiser, existe a possibilidade de que no último momento, pouco antes do espaço se desintegrar e desaparecer no esquecimento, a energia inerente do espaço, indistinguível dos cenários inflacionários, faça a transição para o Big Bang! Tal cenário de um "Universo revivido" não só pode se tornar realidade em nosso futuro distante. Nele, nosso Universo pode ser muito mais antigo do que parece. É possível que seja infinitamente antigo.
Bem, agora a evidência que temos indica que a energia escura é de fato uma constante cosmológica. Isso significa que o cenário número 2 está excluído. Se não houver um estado de energia inferior para a transição, a opção nº 1 também pode ser excluída. Mas agora não temos dados suficientes para rejeitar nem mesmo um deles. Se eu tivesse a chance de fazer apostas, diria que uma variante com um estado de energia mais baixo é mais provável. Mas a ideia de que a energia escura é realmente constante e existe para sempre é melhor apoiada pelos dados disponíveis. Até que tenhamos certeza, é melhor não descartar nenhuma opção possível. A espaçonave Euclid, o telescópio infravermelho de grande angular WFIRST da NASA e, finalmente,O Grande Telescópio de Pesquisa Sinóptico LSST nos ajudará a medir a energia escura com ainda mais precisão, e isso fornecerá novas evidências para apoiar a primeira ou a segunda teoria. E novas descobertas na física teórica de alta energia podem nos dizer mais sobre o primeiro conceito. De qualquer forma, Andrew, a resposta à sua pergunta é esta: a energia escura pode anunciar um retorno ao Big Bang quente de um estado inflacionário, mas não depende da natureza eterna da inflação.mas não depende da natureza eterna da inflação.mas não depende da natureza eterna da inflação.
Ethan Siegel
