A maioria das pessoas está familiarizada com o Big Bang – a noção de que um universo incrivelmente quente e denso explodiu no qual conhecemos hoje. Mas o que sabemos sobre o que veio antes do Big Bang?
Na tentativa de resolver vários quebra-cabeças descobertos na condição inicial do Big Bang, os cientistas desenvolveram várias teorias para descrever o universo primordial, a teoria mais bem-sucedida delas —conhecida como inflação cósmica — descreve como o universo se expandiu dramaticamente em tamanho em uma pequena fração de segundo antes do Big Bang.
Mas, por mais bem-sucedida que tenha sido a teoria inflacionária, as controvérsias levaram a debates ativos ao longo dos anos.
Alguns pesquisadores desenvolveram teorias muito diferentes para explicar os mesmos resultados experimentais que apoiaram a teoria inflacionária até agora. Em algumas dessas teorias, o universo primordial estava se contraindo em vez de se expandir, e o Big Bang era, portanto, parte de um Big Bounce (um Grande Salto).
Alguns pesquisadores — incluindo Avi Loeb, professor de Ciências e presidente do Departamento de Astronomia em Havard — levantaram preocupações sobre a teoria, sugerindo que sua adaptabilidade aparentemente interminável torna tudo impossível de testar.
“A situação atual da inflação é que é uma ideia tão flexível que não pode ser falseada experimentalmente”, disse Loeb. “Não importa o resultado observáveis estabelecidos para medir, há sempre alguns modelos de inflação que podem explicá-la.” Portanto, os experimentos podem apenas ajudar a encontrar alguns detalhes do modelo dentro da estrutura da teoria de inflação, mas não pode testar a validade da próprio estrutura. No entanto, a falseabilidade deve ser uma característica de qualquer teoria científica.
É aí que entra o Xingang Chen.
Um antigo professor de astronomia, Chen e seus colaboradores há muitos anos vêm desenvolvendo a ideia de usar algo que ele chamou de “relógio padrão primordial” como uma sonda do universo primordial. Juntamente com Loeb e Zhong-Zhi Xianyu, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Física de Harvard, Chen aplicou essa ideia às teorias não-inflacionárias depois que ele soube de um intenso debate em 2017 que questionava se as teorias inflacionárias fazem quaisquer previsões. Em um artigo publicado como Editor’s Suggestion in Physical Review Letters, a equipe apresentou um método que pode ser usado para falsificar experimentalmente a teoria inflacionária.
Em um esforço para encontrar alguma característica que possa separar a inflação de outras teorias, a equipe começou identificando a propriedade definidora das várias teorias — a história evolucionária do tamanho do universo primordial. “Por exemplo, durante a inflação, por definição, o tamanho do universo cresce exponencialmente”, disse Xianyu. “Em algumas teorias alternativas, o tamanho do universo se contrai – em alguns muito lentamente e em outros muito rápido.”
“As observações convencionais propostas até agora têm dificuldades em distinguir as diferentes teorias porque essas observações não estão diretamente relacionados a essa propriedade”, continuou ele. “Então, nós queríamos descobrir quais são as observações que podem ser ligadas a essa propriedade definidora.”
Os sinais gerados pelo relógio padrão primordial podem servir a esse propósito.
Esse relógio, disse Chen, é qualquer tipo de partícula elementar massivamente pesada no universo energético primordial. Tais partículas devem existir em qualquer teoria, e elas oscilam em alguma frequência regular, muito parecida com o balanço do pêndulo de um relógio.
O universo primordial não era inteiramente uniforme. Flutuações quânticas tornaram-se as sementes da estrutura em larga escala do universo de hoje e uma das principais fontes de informação nas quais os físicos confiam para aprender sobre o que aconteceu antes do Big Bang. A teoria delineada por Chen sugere que os tiques do relógio padrão geraram sinais que foram impressos na estrutura dessas flutuações. E como os relógios padrões em diferentes universos primordiais deixariam diferentes padrões de sinais, Chen disse, eles podem ser capazes de determinar qual teoria do universo primordial é mais precisa.
“Se imaginarmos todas as informações que aprendemos até agora sobre o que aconteceu antes do Big Bang estar em um rolo de quadros de filme, o relógio padrão nos diz como esses quadros devem ser reproduzidos”, explicou Chen. “Sem nenhuma informação do relógio, não sabemos se o filme deve ser reproduzido para frente ou para trás, rápido ou lento — assim como não temos certeza se o universo primordial estava inflando ou contraindo, e quão rápido ele fez isso. É aqui que está o problema. O relógio padrão coloca carimbos de hora em cada um desses quadros quando o filme foi filmado antes do Big Bang, e nos diz do que se trata este filme”.
A equipe calculou como esses sinais de relógio padrão deveriam aparecer em teorias não-inflacionárias e sugeriu como procurá-los em observações astrofísicas. “Se um padrão de sinais representando um universo em contração fosse encontrado”, disse Xianyu, “ele falsificaria toda a teoria inflacionária, independentemente de quais modelos detalhados fossem construídos”.
O sucesso dessa ideia está na experimentação. “Esses sinais serão muito sutis para detectar”, disse Chen. “Nossa proposta é que deveria haver algum tipo de campos massivos que geraram essas impressões e nós computamos seus padrões, mas não sabemos quão grande é a amplitude total desses sinais. Pode ser que eles sejam muito fracos e muito difíceis de detectar, então isso significa que teremos que pesquisar em muitos lugares diferentes.
“A radiação cósmica de fundo de microondas é um lugar”, continuou ele. “A distribuição de galáxias é outra. Já começamos a procurar esses sinais e já existem alguns candidatos interessantes, mas ainda precisamos de mais dados.” [Havard Gazette]
