O ERRO DE BICEP2 – O QUE A RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO EM MICRO-ONDAS POLARIZADA PODERIA RELEVAR SOBRE A ORIGEM DO UNIVERSO?

Em março do ano passado, a colaboração de cientistas que operam o telescópio de micro-ondas do polo sul divulgou uma notícia que surpreendeu a comunidade científica. De que eles haviam observado o sinal remoto emitido do inicio do Universo. Hoje, quase um ano depois sabemos que este sinal era um falso positivo, que foi resultado da interferência da poeira interestelar de nossa galáxia que polarizou estas micro-ondas. Isso não quer dizer que o sinal não exista, mas que o sinal captado pela BICEP2 foi contaminado, porque ele não foi capaz de prestar seu serviço. Pensando nisto, no significado que essa descoberta daria ao nosso entendimento da origem do universo para a física moderna, poderemos ver onde avançar se (ou melhor, quando) de fato essa descoberta se consolidar.

Via Láctea

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Lawrence Krauss foi prudente em setembro de 2014 ao pontuar na Scientific American o significado dessa descoberta caso se confirmasse, e que no ano de 2015 teríamos a confirmação ou a refutação desses resultados do Imageamento de Fundo da Polarização Cósmica ExtraGalática 2 (cuja singla do inglês é BICEP2). Hoje temos a refutação. Se tal observação for possível, logo de cara, teríamos um significativo desenvolvimento nas teorias quânticas (no mundo subatômico), com teorias baseadas na relatividade geral (TRG). E claro, a constatação da radiação cósmica de fundo em micro-ondas permitiria indiretamente inferir sobre outros universos.

Em cosmologia, a radiação cósmica de fundo em micro-ondas é uma forma de radiação eletromagnética.  Ela se caracteriza por apresentar um espectro térmico e é um “fóssil” da luz resultante de uma época em que o Universo era muito quente e denso, há apenas 380 mil anos após o Big Bang.

Para entender a propagação da radiação cósmica de fundo em micro-ondas temos de entender a “anatomia” do Universo.

Mesmo com um período de tempo tão grande após o início da expansão do universo, ele permanece plano, embora seja em um universo tridimensional que a luz se propague. O problema é que de acordo com a TRG o universo esta longe de ser endossado.  Quando a matéria ou radiação eram as formas de energia mais comuns no universo (na maior parte do tempo) um universo que se desviasse de um formato plano certamente teria se desviado de suas peculiaridades enquanto se expandia. Um desvio, ainda que ligeiro tornaria o universo aberto e curvo, em contrapartida, um Universo fechado se encerra em uma esfera.

Para que o Universo pareça plano, suas características devem ter sido sintonizadas. Sim, um plano exige um ajuste fino, mas sem aquela velha proposta batida, o velho chavão de um designer. Essa ideia já é peça batida tanto por Victor Stenger, quanto por Sean B Carroll, que apesar de terem perspectivas distintas, ambos descartam engenheiros universais mágicos.

Outro dado importante é que o Universo é isotrópico, ou seja, igual em toda parte. Portanto, regiões muito afastadas nos dois extremos de um universo plano praticamente não se conhecem, mesmo porque a luz emitida de um lado certamente não chegou do outro. Isso é interessante, pois leva os físicos a pensar como regiões que não se “conhecem” teriam se consolidado de forma idêntica.

Na década de 80, Alan Guth propôs que o Universo era cheio de partículas e poderia ter inflado em todas as direções rapidamente, chamando isso de grande explosão, ou simplesmente de “Big Bang”. De fato, o Big ocorreu, mas o Bang não, porque o Universo não é resultado de uma grande explosão, mas de uma rápida expansão. O significado dessas palavras é diferente.

O que vem ao caso é que ele se baseou no modelo padrão da física de partículas, o da quebra espontânea da simetria das 4 leis da física (força nuclear forte, fraco, gravidade e eletromagnetismo). A força eletromagnética atualmente é diferente, mas no passado eram uma coisa só. Portanto, de certa forma as duas estão unificadas pelos físicos. A ideia era unificar novamente as 4 e ainda a física quântica em uma única força ou equação que explica tudo. É a Teoria-M.

Durante a expansão do Universo, enquanto ele esfriava (com alguns milionésimos de milionésimos de segundos de idade) ocorreu uma mudança de fase, alterando a natureza do vácuo (entenda o que é o vácuo na física aqui aqui e aqui). Onde o espaço não era vazio, mas preenchido por um campo de fundo, semelhante ao campo elétrico, porém, não tão facilmente detectável. Esse campo ficou conhecido como campo de Higgs.  A excitação quântica massiva do campo de Higgs é também chamada de bóson de Higgs. O bóson de Higgs é uma partícula elementar que mantém os quarks que compõem os prótons e neutros de átomos unidos. É como uma cola que os mantém unidos, além de ter glúons associados a elas.

O campo de Higgs afeta a maneira na qual as partículas se propagam no espaço. Ao interagir com o campo, as partículas que transportam a força fraca, por exemplo, sofrem uma resistência, alterando o comportamento da partícula passando a atuar como se tivesse grandes massas.  Com essa resistência e alteração de comportamento, sua simetria é quebrada. Essa foi a grande descoberta do LHC, especialmente a do Bóson de Higgs.

A descoberta da polarização da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (azul) ainda não é uma evidência definitiva de ondas gravitacionais porque outros processos podem ser responsáveis pela polarização. A trajetória de um fóton da radiação cósmica de fundo é curvada quando se aproxima de aglomerados massivos de Galáxias, onde a gravidade distorce o espaço-tempo em um fenômeno que chamamos de lente gravitacional. Isso introduz polarização, contaminando o sinal.

A descoberta da polarização da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (azul) ainda não é uma evidência definitiva de ondas gravitacionais porque outros processos podem ser responsáveis pela polarização. A trajetória de um fóton da radiação cósmica de fundo é curvada quando se aproxima de aglomerados massivos de Galáxias, onde a gravidade distorce o espaço-tempo em um fenômeno que chamamos de lente gravitacional. Isso introduz polarização, contaminando o sinal.

Entretanto, vale lembrar que algumas partículas não interagem com esse campo, como por exemplo, o fóton, que são considerados partículas sem massa e portanto, conferem a força eletromagnética.

Para manter o átomo coeso descobriu-se que a força eletromagnética, força forte e fraca fazem este papel. A eletromagnética já discutimos acima; a força nuclear forte ocorre devido a presença de 8 glúons; e a fraca que é responsável pela radiação e decaimento radioativo dos elementos químicos. Ela e formada por 3 partículas Z0, W+ e W(Gleiser, 2008).

As evidências apontam que no passado essas leis estavam todas unidas em uma coisa só e que essa quebra de simetria ocorreu quando o Universo tinha apenas 10-36 segundos de idade. No esfriamento e transição de fase que mudou a natureza do espaço, o campo de fundo alterou a força fraca criando partículas exóticas maiores que a do campo de Higgs. Se durante essa quebra de simetria o campo de fundo permanecesse parado em um estado metaestável seria possível que Guth resolvesse diversos problemas na teoria do Big Bang. Se nessa transição houve armazenamento de energia durante a expansão do universo, poderia surgir uma gravidade repulsiva que eleva exponencialmente a expansão tornando o universo isotrópico e uma ordem de grandeza 25 vezes maior que a inicial.

É nesse contexto que entra a proposta do BICEP2 e porque ele falhou. Na TRG o campo de gravitacional distorce o tecido do espaço-tempo. Como a gravidade é uma força relativamente fraca quando comparada com ao eletromagnetismo, é muito difícil detectar as ondas gravitacionais. Mesmo Einstein era cético quanto a nossa capacidade de detecção delas e de fato ainda não conseguimos detecções. Entretanto, há forças mais poderosas que ondas gravitacionais, são os campos quânticos flutuantes produzidos após o Big Bang.

Antes da inflação, o universo estava comprimido quanticamente em um ponto quente de densidade infinita, e energia absurdamente alta, a singularidade. Para descrever essa energia é preciso usar a relatividade e não a quântica. Pela quântica, em escalas muito pequenas esses campos quânticos são flutuantes, e portanto, os campos gravitacionais devem também ter flutuado. Assim, qualquer oscilação quântica que ocorresse durante a expansão teria potencializado o comprimento de onda inicial.

Se o comprimento de onda fosse suficientemente grande o período da oscilação precisaria ser maior que a idade do universo, mostrando dados de quando ele era recém-nascido, permanecendo congelado até o universo se tornar “maduro” o suficiente para começar a oscilar novamente. Com a inflação as oscilações congeladas se amplificaram dando origem a ondas gravitacionais clássicas. A proposta do BICEP2 era detectar exatamente essas ondas clássicas que poderiam confirmar de forma absolutamente elegante e concreta que a inflação ocorreu e quais mecanismos quânticos foram responsáveis por tal inflação. Estaríamos falando não só da inflação, mas talvez mecanismos quânticos que levaram a expansão. Sim, o que poderia haver antes do Universo que quanticamente o originou.

O fato da gravidade ser fraca dificulta a detecção das ondas. A radiação cósmica de fundo por micro-ondas facilita essa detecção. Ela foi liberada quando o universo esfriou pela primeira vez e permitiu que prótons capturassem elétrons para a formação de nêutrons deixando o Universo transparente a luz. A ideia do BICEP2 era trabalhar nessa faixa, pois tecnicamente, se as ondas gravitacionais em larga escala tivessem sido liberadas na época em que a radiação cósmica de fundo por micro-ondas foi criada, quando o universo tivesse 380 mil anos, seria possível observar seus sinais. Por isso a detecção da radiação cósmica de fundo por micro-ondas pelo BICEP2 é tão cobiçada. Ela trás de fato a assinatura do Big Bang, um Santo Graal da física moderna.

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Sendo assim, as ondas gravitacionais teriam comprimido o espaço em uma determinada direção e distendendo em outra deixando a radiação cósmica de fundo por micro-ondas observável.  Essa distorção espacial fruto das ondas gravitacionais pode ter aumentado a amplitude da radiação cósmica de fundo por micro-ondas espalhada por elétrons. Isso quer dizer que ela é polarizada. O problema é que medir polarização não significa que você esta medindo ondas gravitacionais. Foi ai que o BICEP2 falhou.

Isso porque a polarização pode ser causada por flutuações na temperatura da radiação cósmica de fundo por micro-ondas ou ainda, alteradas por fenômenos naturais, como a poeira galática.  É possível separar os efeitos produzidos por interferências da frequência correta da onda primordial. Um padrão distorcido, via de regra, corresponde a ondas gravitacionais. Outras fontes de polarização produzem padrões específicos de distorção, o modo E e modo B.

No modo B temos a polarização dada pela própria onda, no modo E, causada por outras fontes.

O problema é que variações diretas de temperatura induzidas por ondas gravitacionais primordiais são pequenas demais para serem detectadas. É preciso limpar toda a polarização produzida pelas interferências. E isso é difícil de fazer.

A intensidade deste sinal de flutuação de temperatura é dada pela razão “r”. Nas medidas feitas pelo satélite Planck, r poderia ter qualquer valor (onde 0 corresponde a ausência de ondas gravitacionais) até um limite máximo de 0,13. O BICEP2 assustou a comunidade cientifica porque o sinal que ele detectou é de r =0,2 para ondas gravitacionais. O número perfeito para a previsão inflacionária. Era melhor até que os modelos que consideram a contaminação da polarização por poeira.

Aparentemente, pelos cálculos a chance de ser um falso positivo era de 1 chance em um milhão e o sinal preenchia todos os requisitos para ser confiável. Hoje sabemos que não era. Fenômenos astronômicos interferem na polarização, por exemplo, pesquisas mostraram que a Via láctea tem mais poeira do que se pensava.

Mas o que poderia significar uma detecção puramente das ondas gravitacionais polarizadas dos primórdios do Universo?

Como ondas gravitacionais interagem fracamente com a matéria, elas poderia ter se propagado sem nenhum impedimento desde os primórdios do Universo. E essas descobertas não representariam a primeira forma de detecção das próprias ondas (já que foram previstas pela TRG), mas forneceria informações preciosas sobre quando o Universo tinha somente 10-36 segundos de existência.

A intensidade das ondas indicaria que a inflação ocorreu em uma escala de energia próxima da escala de energia em que as três forças não gravitacionais se juntaram em uma teoria unificada,criando uma nova simetria, a chamada Supersimetria. Em física de partículas, ela é uma simetria que relaciona uma partícula fundamental (com certo valor de spin) com outras partículas (com spins diferentes). Em uma teoria com essa simetria, para cada bóson existe um férmion correspondente com a mesma massa e mesmos números quânticos internos, e vice-versa.

Sua constatação poderia significar a descoberta de uma série de novas partículas. Mas a mais significativa contribuição das ondas gravitacionais seria a capacidade de descrever quanticamente a gravidade, a partir dos grávitons, que até hoje são partículas hipotéticas. Seria possível descrever o comportamento da matéria sob o ponto de vista quântico, por partículas subatômicas tornando a Teoria das Cordas mais próxima das evidências. O problema seria a detecção dos grávitons que exigiria um aparato gigantesco e incalculável para sua detecção.

Do ponto de vista da inflação, quando ocorrem as transições de fase do universo, muita energia armazenada é liberada. O campo que produz a inflação então tende ao infinito, inflando cada vez mais, e qualquer matéria e radiação será diluída pela expansão criando um vácuo. Quando essas regiões completam sua transição de fase após da expansão criam um universo observável, como o que vivemos.

No restante do espaço a inflação pode criara pequenas sementes em locais de transição dando origem a universos isolados, cada qual com sua expansão quente como a do Big Bang. Dependendo da transição de fase, as leis da física que regem esses universos podem variar, criando universos distintos e desconexos cada um com suas idiossincrasias. Criando estruturas constantes da física ao mero acaso, algumas com capacidade de criar mais ou menos galáxias, mais ou menos planetas, mais ou menos formas de vida. O problema é que o Principio Antrópico é incompatível para muitas pessoas e levam a diversos problemas que os físicos precisam resolver. Conceitos como o Multiverso e Princípio Antrópico indicam até que ponto a física é capaz de diferenciar o que é ciência empírica e o que não é. E embora alguns possam argumentar que a Teoria das Cordas (que na verdade é uma hipótese) não tem suporte empírico, isso e falso, pois há experimentos da física que sustentam a Cordas como uma hipótese viável que aguarda evidências mais diretas.

Veja Análise do problema experimental da Teoria de CordasFalseabilidade da Teoria de Cordas e Cientistas descobrem um teste prático para a Teoria das Cordas?

Victor Rossetti

Palavras chave: NetNature, Rossetti, Big Bang, BICEP2, Radiação Cósmica de Fundo em Micro-ondas, Lente gravitacional, Campo de Higgs, Transição.

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Referências

Krassu. L. Cicatriz do Big Bang. Scientific American. Set 2014
Gleiser. M. Mundos Invisíveis – Da alquimia á física de partículas. Ed. Globo. 2008

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