ESPECIAL: A Marca da Inflação Cósmica

A inflação ocorreu uma fração de segundo após o Big Bang, bem antes do sinal do fundo cósmico de microondas (CMB). Este processo aumentou drasticamente o tamanho do Universo em um incrivelmente curto espaço de tempo, tanto ampliando as flutuações da densidade local quanto diluindo o perfil de temperatura para criar o suave CMB que observamos. 

Apenas um trilionésimo de um trilionésimo de um trilionésimo de segundo após o Big Bang, o universo primordial sofreu um surto de crescimento titânico. No mais breve dos momentos, o Universo cresceu 1026 vezes - isso é 100.000.000.000.000.000.000.000.000 - o equivalente a expandir uma maçã para mais de 100.000 vezes o tamanho da Via Láctea.
Esta breve mas dramática época é o que os astrônomos chamam de inflação. Como teoria, teve grande sucesso em narrar a infância do Universo e descrever o Cosmos como o vemos hoje. No entanto, as evidências continuam escassas e alguns cientistas levantam dúvidas sobre sua legitimidade.

O nascimento de uma teoria

Em 1980, Alan Guth, um físico teórico e cosmólogo da Universidade Cornell, estava tentando resolver problemas fundamentais deixados sem solução pela teoria do Big Bang e pela moderna mecânica quântica. Na Terra, sabemos que todos os ímãs e, na verdade, o próprio planeta têm dois polos: norte e sul. No entanto, algumas teorias da física de partículas sugerem que ímãs com apenas um polo - monopolos - deveriam existir. Mas se as teorias estão corretas, onde estão todos os monopolos magnéticos?
Em uma solução elegante, Guth propôs que o universo primordial, onde os monopolos eram comuns, se expandiu rapidamente, espalhando-os por um espaço tão amplo que eles se tornaram incrivelmente raros - tão raros que poderíamos procurar sem nunca encontrar um. Cunhando a teoria de "inflação cósmica", Guth resolveu o problema do monopolo e simultaneamente resolveu duas outras questões importantes com a teoria do Big Bang.
A densidade de energia e matéria no Universo determina se o espaço-tempo, o tecido do nosso universo, é plano ou curvo. Notavelmente, em nosso universo essa densidade é justamente o valor necessário, chamado de densidade crítica, que torna o Universo plano em vez de curvo - algo que os cosmologistas têm dificuldade em acreditar que aconteceu de forma aleatória. No entanto, se o Universo se expandisse rapidamente, como propõe a inflação, qualquer curvatura que tivesse existido antes da inflação seria agora aplainada, criando o Universo plano que vemos hoje.

Como isso aconteceu? 

Embora a causa da inflação seja incerta, a principal teoria postula que ela ocorreu por causa de um estado de energia extremamente alta no início do Universo. Este estado foi o que sobrou após a separação das forças fundamentais (gravidade, eletromagnetismo e forças nucleares fracas e fortes), que eram unificadas quando o Universo começou. A quantidade extrema de energia deixou o Universo instável e, ao se estabilizar em um estado mais baixo e mais estável, a onda de energia liberada causou a notável expansão.
A inflação também explica por que o Universo é tão uniforme. Se você olhar para o céu com um radiotelescópio sensível, encontrará o brilho suave da primeira luz emitida - a radiação cósmica de fundo de microondas (CMB) - espalhando-se quase uniformemente pelo céu em todas as direções. O fato de essa radiação poder ser quase uniforme em regiões tão díspares intrigou os cosmologistas porque a temperatura do Universo - já com 90 milhões de anos-luz de diâmetro - não poderia ter se igualado a um valor uniforme no momento em que a luz foi emitida. A teoria de Guth mostrou claramente que um universo virtualmente uniforme, pós-inflação, criaria a assinatura do CMB quase exatamente semelhante.
Agora, o CMB não é perfeitamente suave. Em todo o Universo, existem pequenos desvios, medidos como pequenas diferenças de temperatura, normalmente apenas um milionésimo de grau. Essas mudanças se originaram com pequenas flutuações quânticas no universo primordial e acabaram se tornando a espinha dorsal da estrutura galáctica no Cosmos.
Nos breves momentos antes da inflação, o Universo era quente e denso. Enquanto a energia passou a ser distribuída uniformemente, em escala microscópica, a mecânica quântica determinou que os pontos aleatórios teriam densidades ligeiramente maiores ou menores. À medida que a inflação sacudiu o Universo, essas minúsculas densidades acima e abaixo das densidades se transformaram em regiões maiores. E à medida que o Universo evoluía, as regiões mais densas se transformavam em aglomerados de galáxias à medida que se acumulavam lentamente mais e mais massa.
"Se fizermos uma pesquisa, há uma concordância notável na distribuição de galáxias, em que podemos mapear as posições de onde elas estão e como estão agrupadas no céu, após bilhões de anos a partir do início do universo", diz Jo Dunkley, cosmólogo da Universidade de Princeton. "Podemos traçar desde os primeiros tempos até os últimos tempos, e estamos vendo uma história muito consistente".
Hoje, essa consistência entre a variação na CMB e as estruturas de galáxias em larga escala em todo o Universo é uma das poucas evidências observacionais de inflação encontradas até hoje.
"Com a inflação, o número de quantidades observacionais que temos é limitado", diz Marc Kamionkowski, professor e físico teórico da Universidade Johns Hopkins. "Portanto, limita o nível de detalhe em que o modelo ou a teoria pode ser especificado".

O universo e suas possíveis formas: com uma curvatura positiva, com uma curvatura negativa e sem curvatura (plano)

Procurando por sinais

Encontrar evidência no Cosmos é desafiador por causa do período de tempo decorrido desde a inflação; da mesma forma, experimentos de laboratório não podem produzir os altos níveis de energia necessários para simular condições durante a inflação. No entanto, ondas gravitacionais associadas à rápida expansão do Universo, similar àquelas desencadeadas por buracos negros e estrelas de nêutrons, poderiam oferecer evidências, se encontradas.
Embora detectores como o Observatório de Ondas Gravitacionais com Interferômetro a Laser sejam insensíveis a ondas gravitacionais inflacionárias, outras pesquisas estão em andamento. Uma dessas buscas usa os instrumentos de Imagem de Segundo Plano de Polarização Extragaláctica Cósmica (BICEP, na sigla em inglês), que operam no Polo Sul desde 2006. Outro, apelidado de SPIDER, envia balões para a atmosfera em busca de ondas gravitacionais polarizadas.
"A teoria prevê que uma assinatura de onda gravitacional [inflacionária] deve ser detectável nos próximos cinco a 10 anos. Se detectarmos um sinal, ele fornecerá um ponto de dados adicional que sugere que estamos no caminho certo", diz Kamionkowski. "Se daqui a 10 anos não encontrarmos essas ondas gravitacionais inflacionárias, teremos que voltar à prancheta e seriamente repensar a inflação".
Nas últimas quatro décadas, a inflação tornou-se um pilar central em torno do qual a cosmologia é organizada. Mas enquanto isso corrige problemas pendentes com a teoria do Big Bang, ela permanece não totalmente verificada. E a falta de evidências deixa alguns cientistas com reservas.
"Tem tido um sucesso incrível em descrever o que vemos. . . e as pessoas falam sobre isso como a única opção, mas muitos teóricos acham que deveríamos considerar outras opções para o que aconteceu no início do Universo", diz Dunkley. "Acho improvável que tenha acontecido exatamente da maneira como imaginamos. Eu não acho que nós temos toda a história ainda".
Por enquanto, a inflação continua a ser a melhor teoria dos cosmólogos para explicar a estrutura atual e a infância do nosso universo. Talvez leve outro meio século antes que os cientistas tenham uma compreensão mais clara do que aconteceu nas primeiras sussurros do Universo.

Fonte: Astronomy