Ondas gravitacionais podem ter impulsionado a inflação do Universo sem inflátons

Assim como as ondas do mar esculpem a linha da costa, pequenas ondulações no espaço-tempo podem ter colocado o Universo numa rota evolutiva que, bilhões de anos depois, resultou no cosmos que observamos hoje.

Uma nova proposta teórica aponta que ondas gravitacionais - e não partículas hipotéticas chamadas inflátons - teriam comandado a expansão primordial do Universo e, ao mesmo tempo, reorganizado a distribuição de matéria nesse período inicial.

"Há décadas, tentamos compreender os primeiros instantes do Universo com modelos baseados em elementos que nunca observámos", explica o primeiro autor do estudo, o astrofísico teórico Raúl Jiménez, da Universidade de Barcelona.

"O que torna esta proposta empolgante é a sua simplicidade e a possibilidade de ser testada. Não estamos a acrescentar elementos especulativos; em vez disso, mostramos que a gravidade e a mecânica quântica podem ser suficientes para explicar como a estrutura do cosmos surgiu."

O que ainda não sabemos sobre o início do Universo

Não há certeza sobre como se desenrolaram as etapas mais precoces do Universo após o evento conhecido como Grande Explosão, ocorrido há cerca de 13,8 bilhões de anos. Por enquanto, o que a ciência consegue fazer é formular teorias que sejam compatíveis com a física do Universo que, de facto, conseguimos observar.

Esses modelos funcionam bem em muitos aspetos, mas não são isentos de falhas. Um exemplo frequentemente citado é a descoberta, pelo JWST, de grandes quantidades de galáxias muito massivas numa época mais remota do que a prevista por cosmólogos.

Inflação, inflátons e as limitações do cenário padrão

No roteiro hoje mais aceito para a evolução do Universo, há um intervalo de expansão extremamente acelerada - a inflação - logo depois da Grande Explosão. Nesse quadro, o Universo teria saído de um único ponto unidimensional de densidade infinita - uma singularidade, a descrição matemática do Universo imediatamente antes da Grande Explosão - e então se expandiu de forma abrupta, preenchendo-se com uma “sopa” de plasma muito quente que, ao arrefecer, deu origem à matéria.

Para explicar essa inflação e a notável homogeneidade do cosmos, muitos modelos recorrem ao infláton: uma partícula especulativa ou um campo quântico hipotético. Em teoria, esse elemento seria o motor da expansão rápida, mas ainda permitiria pequenas variações de densidade na sopa primordial de plasma - variações que, mais tarde, se condensariam em buracos negros, galáxias, estrelas e toda a variedade de matéria espalhada pelo Universo.

O problema é que, apesar de esforços intensos, físicos não encontraram outras evidências que sustentem a existência do infláton. Por isso, Jiménez e os seus colegas investigaram se haveria um caminho alternativo: seria possível descrever a evolução inicial do Universo com parâmetros menos dependentes de componentes puramente especulativos?

Ondas gravitacionais e perturbações tensoriais no espaço de de Sitter

O ponto de partida do grupo foi um modelo deliberadamente simplificado do Universo real, alinhado com a relatividade geral e com as observações atuais da expansão cósmica, conhecido como espaço de de Sitter.

Dentro desse cenário, flutuações quânticas do próprio espaço-tempo - isto é, ondas gravitacionais - podem ser produzidas por um tipo de turbulência chamado perturbações tensoriais.

A ideia de que ondas gravitacionais permeiam o Universo atual é amplamente aceita. Elas são ondulações no espaço-tempo geradas por perturbações intensas envolvendo objetos muito massivos. As ondas que conseguimos detetar hoje vêm, por exemplo, de colisões entre corpos densos como estrelas de neutrões e buracos negros. Ainda assim, muitos físicos defendem que o Universo inteiro também esteja “a vibrar” com um zumbido de fundo contínuo de ondas gravitacionais - grande demais para ser medido com a tecnologia disponível (por enquanto).

O que o mecanismo proposto explica - e o que ainda precisa ser testado

Ao analisar o seu modelo de espaço-tempo, os pesquisadores concluíram que as ondas gravitacionais criadas por perturbações tensoriais poderiam, por si só, gerar variações de densidade no plasma primordial e também impulsionar a expansão inicial do Universo.

Com o tempo, essas diferenças de densidade tenderiam a formar regiões cada vez mais concentradas, até ficarem densas o suficiente para colapsar sob a própria gravidade. Esse processo produziria as “sementes” do Universo primordial: as primeiras estrelas, as primeiras galáxias e buracos negros.

A proposta chama atenção pela elegância, já que reduz a dependência de hipóteses adicionais para explicar o motor da evolução inicial do Universo - embora, naturalmente, ainda sejam necessários estudos adicionais para verificar o mecanismo.

Mesmo assim, como os autores escrevem, "O nosso mecanismo proposto poderia remover a necessidade de um cenário dependente de modelo: a escolha de um campo escalar, como o infláton, para conduzir a inflação".

O trabalho foi publicado na revista Physical Review Research.