O que é inflação cósmica?

O resultado de hoje do experimento BICEP2 trouxe a primeira evidência direta da inflação cósmica. Mas o que vem a ser isso?

Depois da minha série de vídeos sobre o Big-Bang eu espero que quem me acompanha já tenha sempre em mente que nós não temos ideia da origem (t=0) do Universo. Algumas especulações existem, mas ainda estão longe de serem chamadas de “conhecimento”. Mas sabemos muita coisa sobre como o nosso universo evoluiu até chegar onde está. Sabemos por exemplo que ele está se expandindo, e já esteve muito mais denso do que agora. Sabemos que, na verdade, já esteve extremamente denso e quente, bem antes de qualquer estrela ser criada. Sabemos que houve uma época em que era tão quente e denso que os elétrons não conseguiam se prender aos núcleos atômicos, e o universo era um plasma quente onde os fótons de luz eram constantemente absorvidos e emitidos pelos elétrons, sendo incapazes de viajar mais do que uma distância extremamente pequena. Chamamos esse período de “universo opaco“, por causa desta propriedade.

A Radiação Cósmica de Fundo

Sabemos que pouco depois, com a expansão do universo e seu resfriamento, os elétrons já conseguiam se combinar a átomos, fazendo com que os fótons pudessem viajar longas distâncias sem encontrar muitos obstáculos. Dizemos que o universo sofreu uma transição de um universo opaco para um universo transparente. Esses fótons viajantes foram produzidos no universo inteiro, e hoje parte deles chegam até nós, no que conhecemos como fundo cósmico de radiação ou radiação cósmica de fundo (a tradução que você preferir para cosmic microwave background).

Ok. A descoberta dessa radiação é antiga, e fornece muita informação interessante sobre o universo. Mas ao mesmo tempo, trás (ou trazia) um enigma. Se você medisse a radiação vinda de um lado do céu e comparasse com a radiação vinda do lado exatamente oposto, veria a mesma temperatura. Só que, do que conhecemos da expansão do universo, essas duas regiões deveriam estar no passado tão distantes que não poderiam estar em equilíbrio térmico. De fato, as duas regiões estariam em regiões desconectadas causalmente, isto é, que uma região não poderia influenciar a outra de nenhuma forma.

Inflação

Só que surgiu nos anos 80 uma proposta (originalmente bolada para solucionar outro problema) que dá conta de resolver esse enigma. A ideia de que, bem antes dessa radiação cósmica ser produzida, bem antes dos núcleos atômicos serem formados, a aproximadamente 13,7 bilhões de anos, houve uma expansão extremamente rápida e intensa do universo, chamada de inflação. Por “extremamente rápida” eu quero dizer coisa de 10^-33 segundos. Por extremamente intensa eu quero dizer que qualquer região do universo teria aumentado seu volume por um fator de 10⁷⁸. Isso mesmo. Uma caixinha de um metro cúbico antes da inflação teria, depois de uma fração absurdamente pequena de tempo, um volume de 10⁷⁸ metros cúbicos. Para comparação, nosso universo visível hoje possui cerca de 3 x 10⁸⁰ metros cúbicos.

Então, com essa hipótese, as duas regiões do céu que não estariam em contato causal durante a produção da radiação cósmica, de fato estiveram antes da inflação, explicando porque toda a radiação que observamos hoje apresenta a mesma temperatura. De quebra, a hipótese da inflação explica também porque o universo parece tão plano, além de explicar a formação de estruturas. Ou seja, mata vários cajados com uma coelhada só.

Alguns chamam o período de inflação como sendo o próprio Big-Bang, ou como alguns sites dizem, “o Bang do Big-Bang”. Já que sabemos que não temos ideia do que acontece no tempo zero, talvez é interessante enfatizar a coisa do nosso conhecimento que chega mais perto do instante inicial, ainda mais quando essa coisa, a inflação, provoca essa expansão absurda, muito mais intensa do que qualquer coisa que podemos imaginar. Eu pessoalmente sou um pouco relutante em dizer que Inflação=Bang, pois acredito que isso pode gerar mais confusão do que realmente ajudar. Mas enfim, é minha opinião.

A inflação está representada nesa imagem como o período entre 10-43 e 10-34 segundos. A radiação cósmica de fundo só é produzida ali por volta de 100 mil anos após a inflação.

Agora, o problema é que, tudo que possa ter sido gerado durante a inflação já foi destruído, ou pelo menos obscurecido pelo que aconteceu depois. É verdade, algumas evidências indiretas existem, como alguns padrões sutis no fundo de radiação, mas até então nada que possa realmente ser chamado de evidência direta. Até hoje. Essa segunda feira, dia 17/03/2014, um experimento que media a polarização da radiação cósmica de fundo detectou um tipo de polarização que

1. É inconsistente com a polarização produzida por galáxias, massas de gás ou outras coisas do nosso universo atual;

2. É consistente com a polarização esperada provocada pelas ondas gravitacionais que teriam sido geradas durante o período de inflação.

As ondas gravitacionais seriam uma das poucas coisas (talvez a única coisa) que sobreviveria até hoje desde que foram geradas durante a inflação. Detectar essas ondas, mesmo que indiretamente, é uma evidência fortíssima para a inflação.

O livro não fecha aí. O experimento BICEP2 foi somente o primeiro. Existem outros satélites e telescópios capazes de medir a polarização do fundo cósmico de radiação e fazer análises parecidas. Então precisamos aguardar respostas desses outros grupos para concluirmos que de fato essa polarização foi observada, e que portanto, temos uma evidência direta para a inflação.

UPDATE: Confiram também o excelente post do Salvador Nogueira sobre o assunto, http://www1.folha.uol.com.br/ciencia/2014/03/1426854-telescopio-observa-expansao-violenta-do-universo-apos-o-big-bang.shtml