Nova pesquisa sugere que galáxias crescem a partir da estática quântica - Mistérios do Universo

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22 de junho de 2020

Nova pesquisa sugere que galáxias crescem a partir da estática quântica

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Um novo teste pode determinar se estruturas cósmicas em larga escala têm origens microscópicas



As flutuações quânticas no universo primitivo podem ter semeado a formação de grandes estruturas cósmicas, como esse aglomerado de galáxias. Crédito: NASA, ESA, Hubble e RELICS

Cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, o Universo como o conhecemos começou no instante em que chamamos de big bang. Nesse momento, energia e matéria muito quentes e densas inundavam o cosmos, alimentando a expansão do espaço. Na primeira fração de segundo, muitos físicos afirmam que o universo passou por uma fase de expansão extremamente rápida: um processo chamado inflação cósmica. Uma das previsões mais maravilhosas dessa teoria é que o arranjo de todas as galáxias em todo o Universo - a colocação de todas as "coisas" no cosmos nas maiores escalas concebíveis - foi definido por eventos ocorrendo no menor nível possível de medição: o reino quântico. Os defensores dessa ideia, no entanto, há muito tempo enfrentam uma pergunta complicada: podemos confirmar essa história de origem microscópica se tudo o que podemos ver hoje são os resultados macroscópicos?

"A questão da origem quântica da estrutura cósmica é um dos aspectos mais interessantes de toda a ciência", diz Juan Maldacena, teórico das cordas e cosmólogo do Instituto de Estudos Avançados de Princeton, Nova Jersey. Maldacena e outros pesquisadores ainda não encontraram um resposta conclusiva. Porém, novos trabalhos oferecem esperança para uma resolução, sugerindo que certos padrões reveladores da distribuição de galáxias poderiam finalmente colocar a inflação à prova.

A inflação prediz que devemos encontrar uma distribuição espacial quase perfeitamente aleatória das galáxias onde quer que olhemos no céu. Segundo a teoria, essa aleatoriedade ocorre porque o canteiro no qual as galáxias cresceram tinha uma fonte puramente aleatória: flutuações do chamado vácuo quântico. O vácuo quântico é uma manifestação dos campos quânticos que preenchem o Universo. É, também contra-intuitivamente, não exatamente vazio. Dentro dele, excitações de curta duração dos campos surgem continuamente e desaparecem, criando um tipo de estática quântica.

Sem expansão cósmica, essa estática não exibirá nenhuma estrutura de vida longa. De acordo com a inflação, no entanto, a incrível expansão do espaço deveria ter ampliado esses pontos quânticos microscópicos para o tamanho macroscópico. À medida que cresciam, as flutuações perderam a capacidade de desaparecer novamente na neblina do vácuo e "congelar" na existência permanente. Eles se tornaram o que os físicos chamam de "clássico", o que significa que não seguem mais as leis da mecânica quântica, mas evoluem de maneira definida, de acordo com a gravidade, conforme explicado pela teoria geral da relatividade de Einstein. Assim, após o término da inflação, a impressão dessa estática congelada deveria ter permanecido - aparecendo como padrões de densidade maior ou menor que a média na disseminação uniforme da matéria por todo o universo. Esses padrões ajudaram a guiar a formação de galáxias.

Esse conto teórico nos leva à conclusão notavelmente poética de que as maiores e mais imutáveis ​​estruturas do Universo - galáxias e aglomerados de galáxias - devem provir das menores e mais efêmeras oscilações quânticas. No entanto, essa linda história é realmente verdadeira? Existem, é claro, outras possibilidades: talvez, em vez de emergir de um vácuo quântico, a inflação tenha sido provocada por algum tipo de partículas quânticas de vida longa. Ou talvez algum processo ainda mais cedo que a inflação tenha de alguma forma colocado um padrão clássico no universo infantil que a inflação ampliou, mas não criou. Qualquer um desses cenários significaria uma mudança radical na nossa compreensão do que ocorreu nos primeiros momentos da existência.

EM BUSCA DE UM SINAL

Os cosmólogos ponderam esse mistério - e, mais importante, como resolvê-lo - desde o desenvolvimento da teoria inflacionária no início dos anos 80. A maior parte deste trabalho procurou determinar como seriam as evidências diretas da origem do vácuo quântico e se poderiam ser medidas. Até agora ninguém encontrou uma resposta satisfatória. E muitos duvidam que essa abordagem possa funcionar. "É muito difícil. É um efeito muito pequeno ”, diz Olivier Doré, cosmologista do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, que estudou cuidadosamente o problema. Doré e seus colaboradores argumentaram que a inflação esmagaria quaisquer sinais reveladores do vácuo quântico bem abaixo do nível em que medidas reais poderiam esperá-las. "É difícil pensar em algo que possa ser medido", diz ele.

Se não podemos esperar ver evidências diretas do vácuo quântico, os pesquisadores podem abordar o problema de outra maneira e procurar evidências contra a história da origem do vácuo quântico. Doré e Maldacena, que também argumentaram que a abordagem direta parece pouco promissora, apontam para um novo estudo de pré-impressão dos cosmólogos Daniel Green, da Universidade da Califórnia, San Diego, e Rafael Porto, do alemão Electron Synchrotron (DESY). Este trabalho, agora aceito para publicação em Physical Review Letters, sugere que essa evidência pode estar ao nosso alcance através de estudos cuidadosos de quaisquer características não aleatórias dentro da estrutura de larga escala do Universo.

Se, de fato, vivemos em um universo inflacionário no qual as galáxias cresceram do caos quântico, devemos esperar encontrá-las espalhadas aleatoriamente pelo espaço. Os cosmólogos já encontraram algumas características não aleatórias em estruturas de grande escala. Mas essas observações podem ser explicadas por processos "pós-inflacionários", como a influência da gravidade no crescimento de aglomerados de galáxias. O desafio é encontrar sinais de não aleatoriedade que só podem ser explicados por eventos no universo primitivo. Tais sinais "primordiais" podem revelar detalhes de como a inflação se desenrolou - ou podem nos levar a uma imagem radicalmente nova do que aconteceu durante esse período.

MAPEANDO A GEOMETRIA CÓSMICA

Os pesquisadores podem testar a aleatoriedade, por exemplo, estudando as formas geométricas formadas por conjuntos de galáxias. Quaisquer três galáxias visíveis formam um triângulo no céu, com as galáxias nos cantos. A questão é: quantas vezes três outras galáxias escolhidas aleatoriamente formariam exatamente o mesmo tipo de triângulo? Uma pesquisa metódica que tente explicar todas as formas triangulares e cobrir todos os pontos do céu poderia revelar se os cosmólogos podem esperar encontrar galáxias díspares com mais frequência em qualquer configuração específica de três pontos. A existência de um ou mais triângulos "preferidos" - ou uma preferência por qualquer outra forma geométrica - sugeriria um padrão não aleatório. Os cosmólogos teriam que perguntar: "O que poderia causar uma coisa dessas?"

Green e Porto sustentam que, se o canteiro da estrutura cósmica não provir do vácuo quântico - se crescer de um estado quântico sem vácuo ou de um estado clássico cuja origem é anterior à inflação -, esses ingredientes extras mudarão o padrão daquela galáctica inicial canteiro. Esses novos padrões apareceriam como certas formas preferenciais reveladoras na estrutura em larga escala. Se os astrônomos não conseguem encontrar evidências de que essas configurações ocorrem com mais frequência do que o acaso permitiria, a estrutura em larga escala do universo não pode ter vindo dessas outras origens.

Fundamentalmente, de acordo com Green, há uma esperança real de que os astrônomos vejam as evidências que ele e Porto delinearam, desde que existam. O primeiro passo é detectar novos sinais de não aleatoriedade, sejam eles causados ​​por inflação primordial ou processos posteriores. Isso pode exigir a melhoria do estado da arte atual no mapeamento das posições das galáxias por um fator de 100, estima Green. Um objetivo elevado, com certeza, mas que seria muito mais fácil de alcançar do que medir o tamanho minúsculo dos sinais potenciais estudados por Doré e outros.

Se os observadores forem bem-sucedidos em detectar a não-aleatoriedade, em seguida, procurarão sinais ligando-o à inflação, em vez de eventos subsequentes. Este passo é a principal dificuldade, diz Green. Mesmo aqui, porém, há esperança. Os tipos de formas preferidas que ele e Porto estudaram devem ser tão perceptíveis quanto os outros por causa dos efeitos que ocorreram posteriormente no tempo cósmico. Simplificando, eles seriam relativamente fáceis de ver, não escondidos como um pequeno ajuste para um valor maior. "Você não precisa procurar uma agulha no palheiro", diz Porto. Na ausência de qualquer indício detectável de não aleatoriedade primordial, os teóricos seriam pressionados a apresentar efeitos confusos ou imperfeições experimentais que pudessem mascarar o que deveria ser um sinal óbvio. Por esse motivo, a falta de qualquer sinal das formas preferidas de Green e Porto poderia ser uma evidência a favor da inflação e da origem quântica da estrutura cósmica.

Doré concorda que a busca por sinais não aleatórios oferece uma perspectiva interessante, porque as medidas necessárias, embora não garantidas, parecem viáveis. Nos próximos cinco a 10 anos, em particular, os astrônomos criarão mapas sem precedentes de alta fidelidade de distribuições de galáxias a partir de várias pesquisas e telescópios da próxima geração - como a missão de satélite da NASA SPHEREx, que deve ser lançada em 2024. Embora esse trabalho seja sem garantia de responder a essa questão da quantumidade cósmica, Doré acha que é a hora certa de contemplar a investigação. “É difícil prever, mas acho que é um momento muito dinâmico para essas perguntas. Acho que há muitas idéias novas aparecendo e espero que algo importante surja.”

Porto concorda. "Há muitos dados", diz ele, e "muito trabalho a fazer". Pesquisadores que desejam desvendar a evolução do universo agora podem trazer ferramentas da física de partículas, da ciência de dados e da busca por ondas gravitacionais. Quando você coloca tudo junto, Porto diz: "este é o momento mais emocionante de ser".

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