Henrique S. Xavier*

Antes de falecer no dia 14 de março deste ano, o físico inglês Stephen Hawking ainda tinha trabalhos científicos sendo concluídos. No dia 27 de abril, um desses trabalhos foi publicado pela revista Journal of High Energy Physics. Chamado de “A smooth exit from eternal inflation?” (“Uma saída graciosa da inflação eterna?”, em tradução livre) e com co-autoria de Thomas Hertog, esse artigo propõe uma nova abordagem teórica para tentar explicar os primeiros instantes do Universo. Antes de apresentar qual foi a explicação proposta por Hawking e Hertog, precisamos descrever qual o problema que eles queriam resolver.

Arquivo pessoal

Xavier: selfie diante do equipamento de olhar para o espaço

Sabemos que o Universo começou há 14 bilhões de anos no chamado Big Bang, algo como uma explosão: no seu começo, o Universo era muito quente, estava bastante concentrado e se expandia de maneira extremamente rápida. Entretanto, já era sabido desde a década de 1970 que esse cenário, por si só, tinha alguns problemas. Por exemplo, essa expansão inicial seria tão rápida que não daria tempo de regiões distantes se comunicarem e afetarem umas às outras. Entretanto, nós captamos sinais eletromagnéticos (chamados de Radiação Cósmica de Fundo em Microondas) vindos dessas regiões distantes que são correlacionados, o que indica que elas estiveram em contato causal em algum momento (elas podiam afetar uma à outra).

Em 1979, uma solução para esse problema foi proposta pelo físico estadounidense Alan Guth. A ideia era que a expansão do Universo não teria começado abruptamente, mas sim de maneira gradual, cada vez mais rápida, de forma que regiões distantes teriam tido tempo de se comunicar. Essa aceleração da expansão do Universo (que foi chamada de inflação cósmica) seria causada por alguma matéria ou configuração de matéria desconhecida (apelidada de inflaton) capaz de produzir “anti-gravidade”. Embora ainda não existam evidências observacionais de que a inflação ocorreu, ela é uma das poucas hipóteses conhecidas que explicariam o início do Universo (e a mais popular entre os físicos).

Poucos anos depois, análises mais detalhadas dessa hipótese mostraram que, na maior parte do Universo, essa inflação continuaria para sempre, levando a densidade de matéria a zero e impedindo a formação de galáxias. Entretanto, ela deixaria para trás “bolhas” onde a expansão acelerada terminaria e onde galáxias poderiam surgir. Esse cenário foi chamado de inflação eterna e resultaria em um Multiverso: diversos “universos-ilha” separados e incomunicáveis por um mar de vazio em expansão acelerada.

Cada um desses universos-ilha poderia ter propriedades completamente diferentes, e poderia haver um número muito grande (até infinito) deles. Nós estaríamos dentro de um desses universos.

Um problema dessa hipótese é que fica impossível testar se ela está errada através da comparação de suas previsões com as observações astronômicas. Se ela prevê um número infinito de universos, cada um com propriedades diferentes, poderíamos sempre escolher um que é igual ao que observamos! A teoria fica infalseável.

Aqui entra o artigo de Hawking e Hertog. Primeiro, eles argumentam que a abordagem teórica normalmente utilizada para derivar as propriedades do período inflacionário – explicar o funcionamento da gravidade com a teoria da Relatividade Geral de Einstein e, separadamente, a evolução do inflaton com a teoria quântica – não é aplicável às condições de inflação eterna. Em seu lugar, seria necessário uma teoria que tratasse ambos os fenômenos – gravidade, de um lado, e matéria e suas demais interações, do outro – de maneira consistente (o que não ocorre entre a Relatividade Geral e a teoria quântica): seria necessário uma teoria de gravitação quântica, um assunto no qual Hawking trabalhou bastante.

Uma dessas teorias – ainda em desenvolvimento e sem verificação experimental – é a chamada teoria de cordas. Tomando como base essa teoria, Hawking e Hertog estudaram qual seria o comportamento do Universo num cenário de inflação eterna, e concluíram que as propriedades dos diversos universos-ilha não seriam tão diversas quanto proposto anteriormente. Na verdade, elas estariam restritas a um número finito de possibilidades, o que torna as previsões da inflação eterna mais assertivas e, portanto, testáveis observacionalmente.

O próximo passo seria então comparar os efeitos previstos da inflação eterna (agora mais certeiros, de acordo com o trabalho publicado) com o nosso Universo observável. Um problema é que esses efeitos seriam poucos e sutis. Provavelmente o mais interessante e decisivo deles é a produção de ondas gravitacionais (perturbações no campo gravitacional que se propagam no espaço) durante o fim do período inflacionário na nossa “bolha”. Denominadas primordiais, elas teriam características específicas e diferentes daquelas detectadas em 2016 pelo experimento LIGO, estas criadas pela fusão de dois buracos negros. Inclusive, seus comprimentos de onda seriam tão grandes que o LIGO (um detector de 4km de envergadura) não seria capaz de detectá-las, sendo necessário algo como a proposta conhecida por LISA, um conjunto de três satélites que seriam colocados em órbita da Terra para atuar em conjunto como um detector de 2,5 milhões de km de envergadura.
Além de poderem ser detectadas diretamente, essas ondas gravitacionais devem produzir pequenas distorções nos sinais da Radiação Cósmica de Fundo, chamados de modos B de polarização. As observações atuais dessa radiação – como as feitas pelo experimento BICEP2 e pelo satélite Planck – são consistentes com a ausência dos modos B, mas experimentos futuros mais sensíveis podem vir a detectá-las.

Henrique S. Xavier fez este comentário especialmente  para o Ciência na rua. Xavier é mestre e doutor em física na área de cosmologia pelo Instituo de Física da Universidade de São Paulo (IF/USP), atualmente é pós-doutorando e pesquisa distribuição de galáxias em grande escala e cosmologia de supernovas no Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo, (IAG/USP).