Como era o Universo antes do Universo: do vácuo quântico às galáxias

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Há uma pergunta incômoda que vamos nos aventurar uma explicação: o que existia antes do Big Bang? Aqui, trilharemos o caminho mais longo possível, desde flutuações quânticas até a formação das galáxias.
Algo aconteceu antes, preparando o cenário para a fase quente que conhecemos como Big Bang. Os primórdios do Cosmos, antes do surgimento do Universo conhecido, podem parecer pouco interessantes: todas as regiões eram extraordinariamente semelhantes, o que chamamos de homogeneidade.
Não havia diferenças perceptíveis entre pontos próximos ou distantes. Do ponto de vista estatístico, as variações eram mínimas. Uma serenidade aparentemente absoluta. Mas esse início estava longe de ser trivial. Daquela uniformidade quase perfeita surgiram mudanças profundas.
Antes da fase quente (que chamamos de Big Bang), algo deve ter ocorrido que preparou o terreno e deixou o Universo pronto para evoluir da maneira como o fez posteriormente. Uma distribuição de matéria imensamente rica que deu origem a estrelas, galáxias, aglomerados, filamentos e vazios.
A questão central da Cosmologia moderna pode ser formulada assim: por que esse início aparentemente simples já continha as sementes de toda a estrutura posterior do Universo?
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O inverno cósmico
No plasma primordial, a serenidade não era como se costuma imaginar. Por isso, se perguntarmos à mecânica quântica se o vácuo está vazio, ela responderá que não é assim.
Esse plasma era formado por partículas que colidiam entre si e interagiam. Um nada cheio de ação. Nesse plasma, eram frequentes as transformações entre partículas, algo de que se encarrega a interação nuclear fraca, uma das quatro forças fundamentais da natureza, aquela que altera a natureza das coisas.
E o Universo se expandia. Quanto mais ele se expandia, menos chance essas partículas tinham de interagir entre si e, rapidamente, o ritmo das colisões diminuía. Apenas um segundo após o início da expansão do Universo, elas ficaram congeladas. A feliz consequência daquele inverno cósmico foi que os neutrinos se desacoplaram do plasma e começaram a se propagar livremente. Esses neutrinos são, até hoje, candidatos a revelar o segredo de por que o Universo é composto principalmente de matéria e não de antimatéria.
Muito mais tarde, cerca de 380 mil anos depois do Big Bang, os fótons se desacoplaram e o plasma tornou-se transparente. Os fótons começaram a viajar quase sem obstáculos. São eles que hoje observamos como radiação cósmica de fundo em micro-ondas, o “eco” do início do Universo visível. Foi assim que surgiu a luz no Cosmos.
O Big Bang quente descreve com grande precisão essa etapa em que o Universo já estava frio e diluído o suficiente para ser regido por uma física bem conhecida. Mas, como vimos, antes disso ocorreram pequenas grandes coisas.
A inflação
Essa etapa anterior foi um período de expansão acelerada do espaço-tempo, que durou uma fração de segundo, e que chamamos de inflação. Não se trata de um elemento adicional que cumpre uma função decorativa, mas sim do contexto que torna compreensível o próprio Big Bang quente. A inflação explica não apenas a homogeneidade que hoje se observa no Universo, mas também a geometria espacial quase plana e a existência de pequenas perturbações capazes de crescer por efeito da gravidade.
Podemos imaginar a inflação como o efeito de um campo que preenche todo o espaço, que evolui lentamente e vai perdendo energia. A intensidade dessa energia determina o ritmo de expansão do Universo, mais ou menos acelerado. Mas há mais. A energia não apenas estica a folha; ela também a deforma, como se criasse ondulações suaves e imperceptíveis. Essa curvatura orienta como a matéria se move e se agrupa. A inflação não apenas fez o Universo crescer, mas também preparou o relevo que mais tarde permitiu a formação de galáxias e estruturas cósmicas.
O que há de belo na inflação, ou pelo menos o que chama a atenção, é que ela esticou, por assim dizer, as perturbações primordiais que surgiram nesse plasma energético primordial, expandindo as flutuações quânticas inevitáveis dos campos que governam o Universo. Mas o que isso significa?
A gravidade e o que já existe
De acordo com a física quântica, em um campo (como era aquele plasma primordial) há variações mínimas e aleatórias na densidade de energia em pontos específicos. No Universo primitivo, essas flutuações eram minúsculas e ocorriam em uma escala subatômica.
Durante a fase de inflação cósmica, o Universo passou por uma expansão exponencial extremamente rápida. Isso ampliou as flutuações quânticas, que passaram de escalas microscópicas para escalas muito maiores, chegando até a ser tão grandes quanto o próprio Universo. Isso as tirou do mundo do microscópico e as transformou em variações de densidade em grande escala.
Assim que essas flutuações se tornaram macroscópicas, transformaram-se em pequenas variações de densidade na matéria. E quando a matéria entrou em cena, o terreno estava pronto para que a gravidade agisse.
Sob a influência da gravidade, essas variações de densidade cresceram e formaram as estruturas cósmicas que vemos hoje, como galáxias e aglomerados de galáxias. O fato de a matéria ter se organizado dessa maneira permitiu que existissem regiões com densidade suficiente para formar estrelas e sistemas planetários, em vez de ser um espaço vazio e uniforme.
A existência de flutuações decorrentes do acaso quântico representa a condição mínima para que exista qualquer estrutura em escalas maiores — aquela que agora permite que haja histórias para contar.
Sabemos que essas perturbações primordiais existiram porque, felizmente, elas deixaram traços distintos na radiação cósmica de fundo — fósseis das pequenas irregularidades de origem quântica que surgiram quando o Universo ainda era quase homogêneo.
A pegada quântica do Universo primitivo
Tradicionalmente, o estudo do Universo se concentrava em como a gravidade atrai a matéria para formar estruturas. Hoje, no entanto, buscamos algo mais profundo: a ousadia de detectar, de forma indireta, mas rigorosa, a pegada quântica do Universo primitivo, a origem das flutuações primordiais. A gravidade atua apenas sobre o que já existe. A ideia não é apenas poder afirmar a existência de um passado quântico, e sim prever suas consequências. A natureza probabilística dessa fase quântica foi responsável pela organização da matéria e por ela ter se organizado de maneiras específicas.
Enquanto aguardamos a superação do desafio intelectual de unir a gravidade às demais forças da natureza, pelo menos avançamos na compreensão de como elas cooperaram para criar um Universo, um lugar onde pudessem surgir seres capazes de empreender essa busca.
Este artigo foi publicado originalmente na revista Telos, da Fundação Telefónica.
Ruth Lazkoz não presta consultoria, trabalha, possui ações ou recebe financiamento de qualquer empresa ou organização que poderia se beneficiar com a publicação deste artigo e não revelou nenhum vínculo relevante além de seu cargo acadêmico. ...