Encontrada solução exata para modelar o Big Bang

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/12/2014

A solução se aplica a uma grande variedade de contextos da física, das colisões de partículas subatômicas às colisões de galáxias.
[Imagem: Gabriel S. Denicol et al. - 10.1103/PhysRevLett.113.202301]

Exatidão física

Uma equipe internacional, da qual faz parte o físico Jorge Noronha, da USP (Universidade de São Paulo), acaba de apresentar uma solução exata para os primeiros momentos de vida do Universo.

Ao contrário da matemática, é raro encontrar soluções exatas aplicáveis em problemas de física, que costumam se contentar com aproximações.

O grupo apresentou a primeira solução exata que descreve um sistema que está se expandindo a velocidades relativísticas radial e longitudinalmente - como se acredita ter ocorrido no início da história do Universo, logo após o Big Bang.

A equação agora resolvida foi criada pelo físico austríaco Ludwig Boltzmann, em 1872, para modelar a dinâmica de fluidos e gases. Boltzmann estava bem à frente de seu tempo, uma vez que, quando propôs a equação, ele apenas supunha que a matéria era atômica por natureza e que a dinâmica daqueles sistemas poderia ser entendida apenas analisando os processos de colisões entre conjuntos de átomos - só bem mais tarde a comunidade dos físicos aceitou a existência dos átomos.

Hidrodinâmica com e sem equilíbrio

O modelo mais aceito para o início do Universo contempla uma rápida expansão de uma singularidade, no que é conhecido como Big Bang, quando o próprio espaço-tempo nasceu e expandiu-se, durante uma época conhecida como inflação cósmica.

Nesse modelo, nos 20 a 30 microssegundos após a explosão, o Universo era um mar de plasma de quarks e glúons, com temperaturas e densidades muito elevadas. Os físicos acreditam que esse plasma tinha características de um fluido, e usam equações de hidrodinâmica para estudá-lo.

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[Imagem: CERN]

"Na última década, tem havido um monte de trabalho modelando a evolução do plasma de quarks e glúons usando a hidrodinâmica, nos quais esse plasma de quarks e glúons é considerado com tendo a consistência de um fluido," reafirma o orientador da equipe, professor Michael Strickland, da Universidade de Kent, nos Estados Unidos.

Segundo ele, a equação de Boltzmann não está limitada ao caso de um sistema que se encontra em equilíbrio térmico, ou mesmo próximo desse equilíbrio.

"Os dois tipos de expansão [com e sem equilíbrio] ocorrem em colisões de íons pesados relativísticos, e deve-se incluir ambos se se espera fazer uma descrição realista da dinâmica," continuou Strickland. "A nova solução exata tem os dois tipos de expansão e pode ser usada para nos dizer qual quadro hidrodinâmico é o melhor."

De partículas a galáxias

Segundo a equipe, a solução encontrada se aplica a uma grande variedade de contextos da física e ajudará os pesquisadores a criar modelos melhores das estruturas das galáxias, das explosões de supernovas e das colisões de partículas de alta energia, como as produzidas no LHC.

Nestas colisões de partículas, em especial, os aceleradores criam um plasma de quarks e glúons de alta temperatura e curta duração, muito similar ao que se acredita ter sido o estado do Universo milissegundos após o Big Bang.

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