E se tudo viesse de… um segundo Big Bang? Uma teoria impressionante para explicar a matéria escura

Durante vários anos, astrofísicos partículas desenvolvem uma idéia original, a de um Big Bang preto. O conceito foi proposto e estudado nomeadamente por Katherine Freese (conhecida pelo seu trabalho sobre estrelas negras) e Martin Winkler com um artigo que pode ser consultado com acesso aberto em arXiv e mais recentemente por Cosmin Ilie e Richard Casey.

Todos sabemos hoje que o modelo cosmológico padrão, que explica a existência de galáxias e certas características da radiação fóssil, baseia-se na existência de um componente desconhecido de massa que domina o dos núcleos de átomos bem conhecidos na Terra, mas na escala das galáxias e aglomerado de galáxias. Este componente desconhecido seria composto por partículas de matéria incapaz ou muito pouco de emitir luz e que por esta razão são chamadas de partículas de matéria escura. Eles seriam sensíveis ao gravitaçãomas não para forças nucleares e talvez para forças novas e ainda desconhecidas entre essas mesmas partículas de matéria escura.

Durante 13,8 mil milhões de anos, o Universo continuou a evoluir. Ao contrário do que nos dizem os nossos olhos quando contemplamos o céu, o que o compõe está longe de ser estático. Os físicos fazem observações em diferentes idades do Universo e realizam simulações nas quais reproduzem sua formação e evolução. Parece que a matéria escura desempenhou um papel importante desde o início do Universo até à formação das grandes estruturas observadas hoje. © CEA Pesquisa

Inflação e a criação de matéria

O modelo cosmológico padrão assume que a matéria escura já existia durante o primeiro segundo do Big Bang, e o cenário atualmente mais favorecido além do modelo padrão envolve uma chamada fase de inflação causada por um novo campo, provavelmente primo de bóson de Brout-Englert-Higgs e chamado inflação. Neste cenário, o cosmos observável teria passado por uma fase exponencialmente acelerada e muito importante, embora transitória, da expansão do espaço logo no início do Big Bang.

No final desta fase, mesmo que oUniverso observável estivesse cheio de partículas pouco antes, o efeito de diluição da expansão o teria deixado quase vazio e frio. Um chamado processo de aquecimento teria então ocorrido de acordo com as teorias inflacionárias propostas, enchendo novamente o cosmos com partículas, neste caso um banho de quarksde léptonsde fótonsde glúons e bósons W e Z, bem como, claro, seus antipartículas e partículas de matéria escura.

Mas, de acordo com o novo cenário proposto por Katherine Freese e Martin Winkler, as partículas de matéria escura teriam sido produzidas muito mais tarde (meses após a nucleossíntese primordial dos primeiros três minutos do Universo segundo o título da famosa obra de Steven Weinberg) embora desde então tenham dominado, em massa, as outras partículas e sem produzir fotões comuns como os encontrados na radiação fóssil (mas talvez radiação de “fótons escuros” não interagindo com a matéria normal).

Teria havido, portanto, um segundo Big Bang: um Big Bang negro…

Na estrutura de modelos unificados de interações na teoria quântica de campos, somos levados a introduzir vários campos de Brout-Englert-Higgs para dar massa aos bósons das teorias de calibre. Freqüentemente, esses campos se comportam conforme descrito no diagrama acima. Em temperaturas muito altas, a intensidade de um campo de Higgs no vácuo, denotado por Φ, é zero, mas existe uma densidade de energia no vácuo V(Φ) que, neste momento, não é zero. Quando a temperatura diminui no universo primitivo, o campo Φ começa a aumentar e além de um determinado valor, esta densidade desaparece. O fenômeno é acompanhado pela formação de verdadeiras bolhas de vácuo (nucleação de bolhas). No contexto da teoria da inflação, com um equivalente ao campo de Higgs, V(Φ) tinha no início da história do Universo um valor muito significativo diferente de zero levando a uma expansão muito rápida do espaço. O Universo estava então em um estado de falso vácuo (Falso Vácuo). O campo Φ poderia ter sido zero naquele momento, então ter evoluído rapidamente, de modo que V(Φ) tivesse desaparecido. O Universo teria passado, no final da inflação, para um estado de verdadeiro vácuo (Vácuo Verdadeiro). Existem variantes com função V(Φ) apresentando vários vales separados por colinas. O Universo só poderia ter transitado entre dois vales representando falsos vazios, por exemplo, por tunelamento quântico (Tunelamento Quântico). O nosso próprio Universo observável pode muito bem não estar ainda num estado de energia mínima. Poderia então ser instável e o seu regime de expansão poderia variar radicalmente. Este é apenas um exemplo de teorias que podem explicar a energia escura com um campo escalar. Se a energia escura puder variar ao longo do tempo, o Universo poderá terminar num Big Crunch ou Big Rip. ©Gary Scott Watson

Ondas gravitacionais causadas por verdadeiras colisões de bolhas de vácuo

Notavelmente, este Big Bang negro produziria ondas gravitacionais semelhantes aos que se pensa terem sido gerados bem depois da fase de inflação, mas antes do primeiro segundo do Big Bang pelo transição de fase eletrofraco associado ao bóson de Brout-Englert-Higgs que deu massa aos quarks, léptons e bósons W e Z do modelo padrão do físico alto energias. O vácuo quântico era pouco antes desta transição o equivalente a um líquido para oestado gasoso que se condensará em gotas colidindo e gerando ondas gravitacionais.

Segundo os pesquisadores, o equivalente a esta transição com um campo escalar responsável pela criação de matéria escura na época do Big Bang Negro teria produzido ondas gravitacionais que atualizam o método de detecção de colaboração doMatriz Internacional de Tempo de Pulsar (IPTA) poderá vir à tona num futuro próximo.

O leitor um tanto perspicaz pode ter se feito a seguinte pergunta. O diagrama acima explica que tanto no momento da inflação como durante a transição eletrofraca ou do Big Bang Negro, temos um campo escalar de valor zero, mas com, mesmo assim, paradoxalmente, uma densidade de energia diferente de zero que se torna zero, enquanto o campo escalar se torna diferente de zero… mas para onde foi a energia do vácuo quântico anterior?

Imagens da simulação do aparecimento de verdadeiras bolhas de vácuo no momento da transição eletrofraca. Eles se aglutinam caoticamente, o que gera ondas sonoras (que não são as que ouvimos). Essas ondas, por sua vez, geram ondas gravitacionais. © Novo CientistaYouTube

Acontece que a teoria postula que em equaçõesos campos de matéria e as forças eletrofracas estão acoplados ao campo escalar responsável por uma fase de inflação, um pouco como uma bola na extremidade de uma mola noar.

Quando o campo escalar transita de um estado de falso vácuo para um estado de vácuo verdadeiro, ele não para imediatamente no fundo do vale de energia do potencial do campo escalar, mas oscila. Ao fazê-lo, o seu acoplamento com os restantes campos é responsável por um efeito de atrito semelhante ao da bola anterior que, ao oscilar, perderia a sua energia, devido à força de atrito que a entregava ao ar que se aqueceria.

Este é exatamente o processo análogo que teria sido responsável pela criação da matéria comum e das partículas de matéria escura, no cenário clássico do Big Bang com inflação ou naquele com um Big Bang escuro, um Big Bang Sombrio Em inglês.