Evidências da existência do universo antes do Big Bang
Como uma característica baseada na observação da inflação cósmica pode proclamar a revolução científica do século (18 de março de 2014)
Apesar do nome, a Teoria do Big Bang não é uma teoria. Esta é uma teoria das consequências de uma explosão.
- Alan Guth
Quando você imagina o começo do Universo, provavelmente pensa em um estado quente e denso, cheio de matéria e radiação, que se expande e esfria incrivelmente rápido (e, a propósito, isso era tudo). Mas o que não pode ser feito é extrapolar para um estado arbitrariamente quente e denso. Você pode pensar que, sem problemas, você voltará no tempo, para uma “singularidade” com temperatura e densidade infinitas, quando toda a energia do Universo tiver sido comprimida em um único ponto - mas isso não é verdade.
Uma das grandes características do universo é que a radiação originada na época ainda existe. Sofreu reflexões de partículas carregadas durante o tempo do Universo, o ex-jovem, quente e ionizado (e isso durou 380.000 anos). Quando o Universo se tornou eletricamente neutro (quando a matéria formou átomos neutros), a radiação do Big Bang correu em linha reta, não interrompida por essa matéria neutra.
À medida que o Universo se expande - devido ao fato de que a energia da radiação é determinada pelo comprimento de onda - esses comprimentos de onda foram estendidos junto com a expansão do espaço, e a energia desde então caiu muito. Mas isso nos ajuda muito, pois fornece material para observação.
E se pudéssemos ver e medir essas ondas, elas nos dariam uma janela para olhar para o Universo primitivo! E assim, na década de 1960, Arno Penzias e Robert Wilson descobriram esse brilho residual do Big Bang - radiação que se espalha uniformemente em todas as direções, apenas alguns graus acima do zero absoluto - e nele os cientistas reconheceram imediatamente a radiação cósmica de fundo no microondas, que procurado por tanto tempo!
Após 50 anos, fizemos um progresso incrível. Fomos capazes não apenas de medir o espectro de energia dessa radiação, mas também de medir as pequenas flutuações de temperatura inerentes a ela, bem como sua escala, seu relacionamento um com o outro e como tudo isso se relaciona com a evolução do Universo.
Em particular, aprendemos como era o Universo aos 380.000 anos de idade, do que era feito e como a matéria em interação afetava a radiação em seu caminho para nossos olhos com 13,8 bilhões de anos.Mas há algo mais que pode nos dar informações sobre essas coisas: podemos estudar não apenas a energia e a temperatura da luz, mas também sua polarização. Deixe-me explicar.
De fato, a luz é uma onda eletromagnética. Isso significa que consiste em campos elétricos e magnéticos oscilantes perpendiculares entre si, tem um comprimento de onda especial (determinado pela energia) e se propaga à velocidade da luz.Ao passar pelas partículas carregadas, refletidas na superfície, interagindo com outros fenômenos eletromagnéticos, os campos elétrico e magnético reagem com o ambiente.
Inicialmente, a luz recebida deve ser não polarizada, mas um grande número de coisas leva à sua polarização de várias maneiras. Em outras palavras, a luz, que geralmente possui campos elétricos e magnéticos orientados aleatoriamente, pode experimentar interações como resultado das quais elas terão uma orientação preferida. E agora ela poderá nos contar muitas coisas informativas sobre com quem a luz interagiu ao longo de sua história.
O efeito de polarização da radiação de microondas de fundo foi descoberto pela última vez na última década usando o satélite WMAP, e resultados ainda melhores são esperados no Observatório de Planck no futuro (mas esse tipo de pesquisa, deve-se notar, é muito difícil de implementar). A polarização devido à qual a luz parece "radial" é chamada modo E de polarização (para campos elétricos), e a polarização devido à qual a luz é "torcida" é chamada modo B de polarização (para campos magnéticos).
A maioria dos efeitos observados se deve a bilhões de anos-luz de matéria que passaram pela luz; chamamos isso de "primeiro plano". Ele teve que percorrer todo o caminho em todas as direções desde a era da radiação para alcançar nossos olhos hoje.
Mas a parte minúscula da polarização deveria chegar até nós desde os tempos antigos. Veja bem, antes do Big Bang - antes que o Universo em geral pudesse ser descrito como quente, denso e cheio de matéria e radiação - o Universo simplesmente se expandia exponencialmente; foi um período de inflação cósmica. Nesse momento, o universo era dominado pela energia inerente ao espaço mais vazio - energia em uma quantidade muito maior do que a atual hoje.
Nesse momento, flutuações quânticas - inerentes ao próprio espaço - eram estendidas por todo o Universo e forneciam as flutuações iniciais de densidade que deram origem ao Universo de hoje.Mas apenas nas regiões onde a inflação terminou, e onde essa energia inerente ao espaço é convertida em matéria e radiação, e ocorre o Big Bang.
E nessas regiões - onde a inflação terminou -, temos um universo muito maior que a seção observada. Essa é a idéia do multiverso, e é por isso que acreditamos que, muito provavelmente, vivemos nele.
E essa inflação em si? Podemos descobrir algo sobre ela?Você pode decidir que flutuações quânticas - e flutuações de densidade que elas semeiam - são tudo o que temos. E até recentemente, eu teria dito isso. Mas, em teoria, a inflação também gera ondas gravitacionais, que ainda não conseguimos detectar. O LISA, a antena espacial de um interferômetro a laser (um projeto adiado na melhor das hipóteses na década de 2030), era nossa melhor esperança para a detecção direta de ondas.
Mas mesmo sem o LISA, as ondas gravitacionais podem ser detectadas por um método indireto. Embora as ondas gravitacionais e a luz viajem na mesma velocidade, a luz diminui à medida que passa por um meio. Isso acontece mesmo em um meio rarefeito, como o espaço intergalático e interestelar! E como as ondas gravitacionais não diminuem a velocidade - elas são afetadas apenas pela curvatura do espaço-tempo - elas ultrapassam a luz e levam à polarização!
Em geral, são as deformações do espaço-tempo em uma determinada escala que esticam as ondas de luz de uma certa maneira quando elas viajam do Big Bang até nossos olhos.
Especificamente, os recursos característicos das ondas gravitacionais devem aparecer como um modo B de polarização e devem deixar um padrão específico em larga escala.Embora o Observatório Planck devesse ver e confirmar isso, estava à frente da equipe que trabalha no Polo Sul: BICEP2!
Em escalas da ordem de 1,5 graus, o modo B de polarização é muito óbvio, e já foi declarado aberto, embora com um significado de 2,7σ (nota: nessas escalas, o significado é de 5,2σ, mas eles precisam convencer a todos que esse nível de detecção não apareceu graças a uma combinação de primeiro plano e sistemática). 2,7σ significa que existe uma chance de 2% de que essa detecção seja falsa e desapareça com mais dados. Mas, no mundo da ciência, essa é uma probabilidade bastante alta; portanto, por enquanto, essa descoberta não deve ser considerada um fato consumado.
Se a abertura passar no teste, será um evento muito sério. É isso que precisamos medir, e não apenas para descobrir se a inflação era (provavelmente), mas para descobrir qual modelo de inflação descreve o Universo?A Plank, tendo lançado seus primeiros resultados no ano passado, não encontrou nada.
Existem vários tipos gerais de inflação que podem ocorrer: em particular, se o valor de r nesses gráficos for zero, isso será a favor do modelo de “campo pequeno” e se for algo enorme (por exemplo, 0,2, a julgar por por esses resultados), isso será uma prova do modelo de "campo grande".
Esse é um resultado definitivo? Não. Precisamos de estatísticas muito melhores para declarar isso uma descoberta - não podemos aceitar esses resultados e declarar: "sim, essas são as ondas gravitacionais iniciais que restam da inflação", pois precisamos de mais evidências. 2.7σ não é ruim, mas no mundo cruel da física precisamos de um resultado confirmado de 5σ. O caixote do lixo da história da física está cheio de “descobertas” com 3σ que desapareceram com a chegada de novos dados.Sabemos que a inflação era; as origens da estrutura no universo - sua aparência atual, sua aparência 13,8 bilhões de anos atrás, e em qualquer lugar da brecha - já nos falou sobre isso. Mas existe uma possibilidade, e as primeiras dicas de que as ondas gravitacionais também poderiam permanecer. E se realmente os vimos, teremos que obter uma confirmação disso nos próximos anos. Mas se a observação se tornar insignificante à medida que os dados são coletados, isso não significa que o modelo de inflação esteja incorreto - apenas que ele não produz os modos B mais fortes.
Isso ainda não é uma "descoberta", mas uma dica de que podemos encontrar algo incrível: a primeira dica de como nosso universo nasceu. Se ele for verdade, será a descoberta do século. Mas se novos dados o refutarem - o que pode muito bem acontecer - isso não significa que o modelo de inflação esteja errado; isso significa que as ondas gravitacionais da inflação são menores do que os modelos mais otimistas previstos.Mas será real ou não, ainda aprendemos um pouco mais sobre como todo o nosso universo apareceu.Atualização: nos comentários do artigo original, os leitores relataram que o significado de mais de 5σ é mencionado no trabalho. Em particular, eles olham para uma certa parte da escala angular, onde na verdade vêem um sinal com um significado de 5,2σ.
O foco poderia ser responsável por isso? Este é o único componente que pode ser riscado - se, é claro, eu entendi corretamente o trabalho - com um significado de apenas 2,7σ.Veja você mesmo.
A significância do resultado não é maior que a da fonte mais provável de incerteza e, mesmo que r possa ser igual a zero, é muito importante excluir essa possibilidade. No trabalho, pode ter sido expulso, mas não me pareceu que isso foi feito de maneira clara e clara. No entanto, estou muito interessado em como tudo isso se desenvolverá! Se eles excluirem o foco da mesma maneira que a emissão de síncrotron, a limitação de 5σ será cumprida, e isso já significa o Nobel!Uma observação posterior sobre o artigo escrito em 18 de março de 2014:Em 17 de março de 2014, cientistas do Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian anunciaram a descoberta do modo B em r = 0,2. No entanto, uma análise posterior (publicada em 19 de setembro de 2014), realizada por outro grupo de pesquisadores usando dados do Observatório Planck, mostrou que o resultado do BICEP2 pode ser completamente atribuído ao pó galáctico.Source: https://habr.com/ru/post/pt395011/
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