14 de janeiro de 2016 – UPTON, NY — A cosmologia padrão – ou seja, a Teoria do Big Bang, com seu período inicial de expansão exponencial – é o modelo mais aceito para nosso universo, no qual todo o espaço e tempo incharam como um balão, a partir de um ponto muito quente e muito denso, para virar uma vastidão homogênea e sempre em expansão. Essa teoria dá conta de vários fenômenos físicos que observamos. Mas e se isso não for tudo?
Uma nova teoria dos físicos do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi e da Universidade Stony Brook, que será publicada online em 18 de janeiro em Physical Review Letters, sugere ter havido um segundo período inflacionário mais curto que pode dar conta da quantidade estimada de matéria escura no cosmos.
“Em geral, uma teoria fundamental da natureza pode explicar certos fenômenos, mas ela pode, no fim, não acabar dando a quantidade certa de matéria escura”, argumenta Hooman Davoudiasl, líder de grupo no Grupo Teórico de Altas Energias do Laboratório Nacional Brookhaven e um dos autores do artigo. “Se você acabar com pouca matéria escura, sempre pode sugerir uma nova fonte para esta, porém matéria escura demais é um problema”.
Medir a quantidade de matéria escura no universo não é uma tarefa fácil. Ao fim e ao cabo ela é escura, de forma que não interage de maneira significativa com a matéria comum. Não obstante, os efeitos gravitacionais da matéria escura dão aos cientistas uma boa ideia de quanto dela existe por aí. As melhores estimativas indicam que ela perfaz cerca de um quarto do total de massa-energia do universo, enquanto que a matéria comum – esta que compõe as estrelas, nosso planeta e nós mesmos – compreende apenas 5%. A matéria escura é a substância dominante no universo, o que levou os físicos a criar teorias e experiências para explorar suas propriedades e entender o que deu origem a ela.
Algumas teorias que apresentam explicações elegantes para certas esqusitices na física que nos deixam perplexos – por exemplo, a pasmante fraqueza da gravidade em comparação com as outras interações fundamentais (eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca) – não podem ser totalmente aceitas porque predizem mais matéria escura do que as observações empíricas podem apoiar.
Esta nova teoria soluciona este problema. Davoudiasl e seus colegas adicionam um novo passo à sequência de eventos comumente aceita na criação do espaço e tempo.
Na cosmologia padrão, a expansão exponencial do universo – chamada de inflação cósmica – teve início provavelmente logo aos 10-35 segundo depois do começo do tempo – isso é zero vírgula 34 zeros, um. Essa expansão explosiva de todo o espaço durou meras frações de uma fração de segundo, o que levou eventualmente a um universo quente, seguido de um período de resfriamento que continua até os presentes dias. Então, quando o universo tinha entre alguns segundos e alguns minutos de idade – ou seja, ficou frio o bastante – começou a formação dos elementos mais leves. Entre esses marcos, podem ter acontecido outros interlúdios inflacionários. argumenta Davoudiasl.
“Eles não teriam sido grandiosos ou tão violentos como o inicial, mas poderiam dar conta de uma diluição da matéria escura”, explica ele.
No começo, quando as temperaturas ultrapassavam bilhões de graus em um volume de espaço relativamente pequeno, as partículas de matéria escura podiam se chocar e se aniquilarem no contato, passando sua energia para os constituíntes da matéria comum – partículas tais como elétrons e quarks. Mas, na medida em que o universo continuou a se expandir e esfriar, as partículas de matéria escura se encontravam cada vez menos vezes e a taxa de aniquilação não conseguia dar conta da taxa de expansão.
“Neste ponto, a abundância de matéria escura foi cozinhada com o resto do bolo”, prossegue Davoudiasl. “Lembrem-se que a matéria escura interage de maneira muito fraca. Dessa forma, não pode continuar a existir uma taxa de aniquilação significativa em temperaturas mais baixas. A auto-aniquilação da matéria escura se torna ineficaz bem cedo e a quantidade de partículas de matéria escura fica congelada”.
No entanto, quanto mais fracas forem as interações da matéria escura – ou seja, quanto menos eficiente for a auto-aniquilação – maior deveria ser a abundância final de partículas de matéria escura. Na medida em que as experiências colocam restrições cada vez maiores na força das interações da matéria escura, algumas teorias correntes acabam por superestimar a quantidade de matéria escura no universo. Para colocar as teorias em alinhamento com as observações, Davoudiasl e colegas sugerem que aconteceu um outro período inflacionário, alimentado por interações em um “setor oculto” da física. Esse segundo período de inflação, mais suave, caracterizado por um rápido crescimento do volume, teria diluído a abundância primordial de partículas, potencialmente deixando o universo com a densidade de matéria escura que observamos atualmente.
“Definitivamente não é a cosmologia padrão, mas temos que aceitar que o universo pode não ser governado pela maneira padrão que pensamos”, disse ele. “Porém, não tivemos que construir alguma coisa complicada. Nós demonstramos que um modelo simples pode obter essa pequena quantidade de inflação no universo primevo e dar conta da quantidade de matéria escura que acreditamos haver por aí”.
Provar a teoria é outra coisa totalmente diferente. Davoudiasl diz que pode haver uma maneira de procurar por, pelo menos, as mais fracas interações entre o setor oculto e a matéria comum.
“Se esse período inflacionário secundário aconteceu, ele pode ser caracterizado por energias dentro do alcance de experiências em aceleradores tais como o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) e o Large Hadron Collider,” diz ele. Somente o tempo dirá se os sinais de um setor oculto vão aparecer ns colisões dentro desses aceleradores, ou em outras instalações experimentais.
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