O Futuro da Cosmologia pós BICEP2
Vinte e quatro dias atrás, segunda-feira 17/03, o universo como conhecemos mudou. O experimento BICEP2, localizado na Antártica (Antarctica é a cerveja, Antártida é ridículo), revelou uma medida de polarização da radiação cósmica de fundo, comprovando definitivamente a teoria da inflação e dando primeiras evidências para a quantização da gravidade. Só falta coletar o bem merecido Nobel, certo?
Certo?
Nesse último post da série sobre cosmologia quero comentar algumas dessas afirmações. Como outros blogs, inclusive em português, já fizeram boas explicações do que ocorreu, quero me focar no que tudo isso implica. Uma explicação semi-técnica pelas mãos do Preskill pode ser encontrada aqui (links nunca são demais).
No post passado vimos que a inflação, uma época do universo primordial onde ele se expandiu muito rapidamente, deixa marcas na radiação cósmica de fundo, aquelas radiações eletromagnéticas geradas lááá trás no passado do universo. Uma dessas marcas é o quão não-homogênea é essa radiação vindo de partes distantes do universo. Essas anisotropias são geradas pela flutuação quântica intrínseca do campo que gera a inflação. Esse foi exatamente o trunfo do experimento WMAP, encontrar o tipo de anisotropia predita pela teoria da inflação.
Mas é claro que nem todo mundo ficou satisfeito com a teoria de inflação. Caras como o Neil Turok e o Paul Steinhardt propuseram alternativas, conhecidas em geral como cosmologias cíclicas. Nessas, ao invés da inflação, temos universos que se formam de colisões de branas (não sabe o que é? nem eu, mas o nome é bonito!) e ficam contraindo e expandindo. Nós estaríamos apenas numa dessas fases de expansão. Essas outras teorias também descrevem as não-homogeneidades. Além disso a própria teoria da inflação é um nome para um conjunto de modelos parecidos, mas diferentes, cada um com sua peculiaridade. Como saber qual deles é melhor? Precisamos de mais informações.
Uma delas é a polarização da radiação cósmica de fundo. Veja bem, essa radiação é só um tipo de luz. E a luz é uma onda feita de duas componentes que oscilam em direções ortogonais, que chamamos polarização. Por exemplo, a luz que vem do Sol é parcialmente polarizada (tem mais luz de uma componente do que de outra) porque é espalhada pela atmosfera. Sabendo disso uma câmera fotográfica pode controlar o contraste em uma imagem (a luminosidade) usando um filtro que retira uma polarização, mas deixa a outra, evitando saturação e tendo uma qualidade melhor. Fica parecido com as fotos que os hipsters colocam no instagram após aplicar 13 efeitos diferentes do photoshop. Só que bonito.
A idéia do BICEP2 é semelhante. Eles olham para essa luz emitida no universo primordial e estão interessados em flutuações no espectro da luz. As flutuações normais já vimos estarem ligadas ao campo que fez a inflação. A idéia é olhar as flutuações na polarização. Você só precisa entender que todas as polarizações são iguais, mas algumas são mais iguais que outras. Esse experimento envolve dois tipos de polarização, chamados E-modes e B-modes. Ninguém liga para os E-modes. Já os B-modes tem uma origem interessante. Um modo comum de gerá-los é através de ondas gravitationais.
Ondas eletromagnéticas, como a luz, são geradas por cargas elétricas em movimento. Por exemplo, uma antena é basicamente um fio no qual as cargas ficam oscilando devido a uma corrente alternada, e pronto, emite radiação. A mesma coisa vale para a gravidade. Você começa com uma massa (algo que gera gravidade), agita ela, e ela emite ondas. Ondas de distorção do espaçotempo. Essa distorção polariza a luz da radiação cósmica de fundo. Então o pessoal pega tudo que vemos no universo, simula no computador, calcula o tanto que polariza a luz e retira das observações do experimento. O que sobra é a polarização residual de coisas que não observamos, aquelas gerada por ondas gravitacionais no universo primordial. Simples não?
…
Então, se você ainda não desistiu de ler, a conclusão é que do mesmo modo que as flutuações da temperatura são reflexo de flutuações quânticas do campo que gera inflação, as flutuações na polarização são reflexo de flutuações quânticas de ondas gravitacionais. E são do tamanho certo predito por modelos de inflação. Portanto o resultado do BICEP2 é o primeiro indício de quantização da gravidade e uma prova cabal da teoria de inflação, dado que esses B-modes não aparecem em teorias cíclicas, por exemplo. Mais que isso, esse tipo de observação mostra que a escala de energia da inflação é dez milhões de milhões de vezes maior que as energias produzidas no LHC. Hora do champagne?
Bom, antes de tudo, o BICEP2 tem um problema para explicar. Os resultados que eles obtem são de que o tamanho das flutuações da polarização são 20% do tamanho da flutuação na temperatura. Mas os dados do satélite Planck dizem que elas são menores que 11% com 95% de certeza. Levando em consideração todas as incertezas das medidas, os dois dados estão em conflito com 3 sigmas. Sigma? É só um jeito rebuscado de dizer que a chance de que ambos estejam corretos e consistentes é 10 vezes menor do que a chance de alguém engravidar tomando a pílula anticonceptional corretamente. “Mas nos gráficos em todos os lugares parece que os dados são consistentes” ouço você dizer. Isso porque a colaboração mudou os dados do Planck, permitindo a variação do índice espectral (só algum bla-bla-bla técnico pra quem tiver interessado), variação essa contrária ao espírito das teorias de inflação mais simples. Por isso precisamos esperar dados de novos experimentos a esse respeito.
Mas o Planck pode ter errado, certo? Esses experimentos são bem complicados, não? E se o BICEP2 estiver correto, isso não mostra que pelo menos as flutuações são geradas por ondas gravitacionais quantizadas? Não seria um marco da física? Segundo esse artigo de 3 anos atrás, outras coisas além de flutuações quânticas da gravidade podem gerar as ondas gravitacionais que fazem B-modes durante a inflação. É só a explicação mais simples para as observações, se confirmadas, mas existem alternativas não muito exploradas.
Mas ainda que não sejam ondas gravitacionais quânticas, tem que ser ondas gravitacionais durante a inflação para fazer aparecer a polarização, não? Segundo esse artigo ainda existem outras formas de gerar B-modes, mesmo sem ondas gravitacionais ou mesmo inflação.
Então nada significa nada, e todo esse auê (estive esperando para usar essa palavra) foi a troco de nada? Nem tanto. As flutuações da temperatura já deram grandes indícios para a inflação, porque é um número preciso que a teoria prevê corretamente. Embora não sejam logicamente descartadas, as teorias que não contém inflação começam a precisar de modos criativos para explicar todos os problemas que a inflação resolve (que comentamos no post anterior) e os dados observados. Físicos não são fãs de explicações complicadas, preferimos sempre o modo mais simples e econômico de entender tudo. Assim é má notícia para os universos cíclicos mesmo.
E as ondas gravitacionais? Bom, elas certamente existem, até já renderam o prêmio Nobel. Parece mesmo que precisamos esgotar as alternativas, mas é razoável (50% eu diria) achar que pelo menos parte do que foi medido é devido a existência de ondas gravitacionais do universo primordial. Mas são quânticas essas ondas? Talvez sim, talvez não, não sou muito entendido de cosmologia, mas conversando com outras pessoas ninguém ficou muito impressionado com flutuações quânticas de ondas gravitacionais. Temos todos os motivos teóricos para imaginar que seria assim.
Ok, então o BICEP2 é legal por excluir modelos de universo muito jovem, e por reforçar as ondas gravitacionais, mas não deve ser nada muito impressionante? Pode ser, vai depender do futuro. Corre o boato que o Planck deve soltar dados sobre a polarização em outubro desse ano. Além dele, outros experimentos devem medir a mesma coisa, talvez ainda esse ano. Se entendermos a aparente discrepância entre Planck e BICEP2 e a solução mostrar que de fato o BICEP2 está correto (ainda que os números possam mudar), eventualmente conhecer os números com bastante precisão pode levar conhecer o modelo específico de inflação.
O que me pareceu mais robusto de tudo isso é a escala de energia. Ninguém tinha fé nos modelos cíclicos, mas para a escala de energia muito grande na qual inflação teria ocorrido, se os dados e sua interpretação forem corretos, parece que são os modelos mais simples que funcionam. Além disso, o modelo padrão da física de partículas pode ter problemas durante essa época inflacionária e precisaria ser modificado. E isso é um pouco impressionante.
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