Gráfico das coisas impossíveis diz que Universo pode ser um buraco negro

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/10/2023

A diminuição da temperatura média e da densidade do Universo em função do tempo.
[Imagem: Lineweaver/Patel - 10.1119/5.0150209]

Gráficos das coisas impossíveis

Astrônomos criaram uma visualização gráfica da história do Universo que é a mais ampla já feita.

E ela trouxe mais perguntas do que respostas, mostrando não apenas o quanto falta na nossa compreensão da história cósmica, como revelando partes das nossas teorias atuais que precisam mais urgentemente ser aprimoradas.

O trabalho envolve compreender como a sopa primordial do Universo, criada pelo Big Bang - o nome técnico dessa "sopa" é plasma de quarks e glúons - deu origem a toda a matéria que vemos hoje.

"Quando o Universo começou, há 13,8 bilhões de anos, numa grande explosão quente, não existiam objetos como prótons, átomos, pessoas, planetas, estrelas ou galáxias. Agora o Universo está cheio desses objetos," detalha o professor Charley Lineweaver, da Universidade Nacional da Austrália. A resposta relativamente simples para a origem [de tudo isso] é que, à medida que o Universo esfriava, todos esses objetos se condensavam a partir de um fundo quente."

Para mostrar esse processo da maneira mais simples possível, os pesquisadores elaboraram dois gráficos: O primeiro mostra a temperatura e a densidade do Universo à medida que ele se expandia e esfriava; o segundo, muito mais interessante, representa graficamente a massa e o tamanho de todos os objetos que foram se formando no Universo à medida que ele esfriava.

Massas, tamanhos e densidades relativas dos objetos em nosso Universo, repleto de coisas desconhecidas, incertas e "proibidas".
[Imagem: Lineweaver/Patel - 10.1119/5.0150209]

Espaço-tempo plano

Embora o trabalho seja aparentemente simples, o quadro geral que ele traça é crucial para o entendimento do Universo, servindo como guia para o aprimoramento das nossas teorias sobre esse entendimento.

"Esses abrangentes enredos pedagógicos chamam a atenção para as regiões triangulares proibidas pela relatividade geral e pela incerteza quântica e ajudam a navegar na relação entre a gravidade e a mecânica quântica. Como podemos interpretar a sua intersecção nos menores objetos possíveis: Buracos negros de massa de Planck ("instantons")? A densidade de Planck e a temperatura de Planck os tornam bons candidatos para as condições iniciais do Universo?

"O nosso gráfico de todos os objetos também parece sugerir que o Universo é um buraco negro. Explicamos como isso depende da suposição improvável de que nosso Universo está rodeado por um espaço de Minkowski de densidade zero," concluiu a dupla.

O espaço de Minkowski [Hermann Minkowski (1864-1909)] é um espaço-tempo plano, diferente do espaço-tempo curvo descrito pela teoria da relatividade geral. É em um espaço assim que os físicos normalmente formulam a teoria da relatividade especial de Einstein, descrevendo o movimento das partículas subatômicas, o comportamento da luz e a propagação das ondas eletromagnéticas. Nas teorias, a densidade do espaço de Minkowski é igual a zero, o que significa que esse arcabouço matemático considera um Universo vazio, sem partículas, contendo apenas a radiação cósmica de fundo - funciona bem na matemática, mas é muito improvável que ele descreva uma situação real.

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Os dados observacionais mais recentes, feitos pelo telescópio Webb, também estão questionando o modelo do Big Bang.
[Imagem: G. Brammer/University of Copenhagen-NASA/ESA/CSA/I. Labbe]

O Universo é um buraco negro?

Os dois gráficos logo mostraram a importância dessa visão sintética da história do Universo e da matéria que o compõe: Acontece que nem tudo se enquadrou dentro do que conhecemos, ou mesmo do que a ciência hoje descreve como possível.

"Partes desse enredo são 'proibidas' - onde os objetos não podem ser mais densos do que os buracos negros, ou são pequenos demais, a mecânica quântica borra a própria natureza do que realmente significa ser um objeto singular," explicou o pesquisador Vihan Patel.

Os pesquisadores explicam ainda que o que está além das áreas dos dois gráficos que descrevem a matéria física conhecida ou teorizada são um grande mistério - até mesmo os limites entre essas áreas carecem de compreensão.

"Na extremidade menor, o lugar onde a mecânica quântica e a relatividade geral se encontram, é o menor objeto possível - um instanton. Este gráfico sugere que o Universo pode ter começado como um instanton, que tem tamanho e massa específicos, em vez de como uma singularidade, que é um ponto hipotético de densidade e temperatura infinitas," explicou Patel.

Um instanton é uma solução clássica para as equações de movimento que expressam uma ação finita, diferente de zero, tanto na mecânica quântica quanto na teoria quântica de campos. Já as singularidades são entidades tão massivamente densas que as leis da física não funcionam mais em seu interior - os buracos negros são exemplos de singularidades, embora existam teorias que dispensam as singularidades.

"Na extremidade mais ampla, o enredo sugere que, se não houvesse nada - um vácuo completo - além do Universo observável, o nosso Universo seria um grande buraco negro de baixa densidade. Isto é um pouco assustador, mas temos boas razões para acreditar que esse não é o caso," disse Patel.

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