Ondas gravitacionais podem ter impulsionado a inflação do Universo sem inflatões

Tal como as ondas do oceano moldam as nossas costas, também as ondulações no espaço-tempo poderão ter colocado o Universo numa trajectória evolutiva que acabou por conduzir ao cosmos tal como o observamos hoje.

Uma teoria recente propõe que foram as ondas gravitacionais - e não partículas hipotéticas conhecidas como inflatões - a impulsionar a expansão inicial do Universo e a forma como a matéria aí foi sendo redistribuída.

"Durante décadas, tentámos compreender os primeiros instantes do Universo recorrendo a modelos assentes em elementos que nunca observámos", explica o primeiro autor do artigo, o astrofísico teórico Raúl Jiménez, da Universidade de Barcelona.

"O que torna esta proposta entusiasmante é a sua simplicidade e a possibilidade de ser verificada. Não estamos a acrescentar elementos especulativos; estamos, isso sim, a mostrar que a gravidade e a mecânica quântica podem ser suficientes para explicar como surgiu a estrutura do cosmos."

O que ainda não sabemos sobre os primeiros momentos do Universo

Não existe certezas sobre o modo como se desenrolaram as fases mais precoces do Universo após o Big Bang, há cerca de 13,8 mil milhões de anos. Por agora, aos cientistas resta construir teorias que sejam compatíveis com a física do Universo que efectivamente conseguimos observar.

Esses enquadramentos teóricos funcionam bastante bem, mas apresentam lacunas evidentes. Um exemplo é a descoberta, pelo JWST, de um grande número de galáxias massivas em épocas mais antigas do Universo do que os cosmólogos previam.

A inflação e o papel atribuído ao inflatão

Na cronologia mais aceite para a evolução do Universo, logo após o Big Bang ocorre um período de expansão muito rápida, conhecido como inflação. A partir de um único ponto, unidimensional e de densidade infinita - uma singularidade, descrição matemática do Universo imediatamente antes do Big Bang - o Universo teria inflacionado rapidamente, expandindo-se e ficando preenchido por uma mistura extremamente quente de plasma, que depois arrefeceu até formar matéria.

O inflatão é uma partícula especulativa (ou um campo quântico) que os cientistas usam para explicar a inflação cosmológica e a notável uniformidade do cosmos. Em teoria, essa entidade seria responsável por acelerar a expansão do Universo, mas sem eliminar pequenas variações na densidade desse plasma primordial, variações essas que mais tarde se condensariam em buracos negros, galáxias, estrelas e todos os restantes componentes de matéria dispersos pelo Universo.

Apesar de esforços significativos, os físicos não encontraram, até agora, outras evidências que sustentem a existência do inflatão. Jiménez e os seus colegas quiseram perceber se haveria uma alternativa - isto é, se a evolução inicial do Universo poderia ser descrita com parâmetros diferentes, reduzindo a dependência de elementos puramente hipotéticos.

Ondas gravitacionais no espaço de de Sitter e perturbações tensoriais

Para isso, começaram por um modelo muito simplificado do Universo real, coerente com a relatividade geral e com as observações actuais sobre a expansão do Universo, designado espaço de de Sitter. Dentro desse enquadramento, flutuações quânticas no espaço-tempo - ou seja, ondas gravitacionais - podem ser geradas por um tipo de turbulência chamado perturbações tensoriais.

Acredita-se que as ondas gravitacionais preencham o Universo actualmente. São ondulações no espaço-tempo produzidas por perturbações muito energéticas. As que conseguimos detectar hoje resultam de colisões entre objectos massivos e densos, como estrelas de neutrões e buracos negros; ainda assim, os físicos consideram provável que todo o Universo esteja também permeado por um zumbido de fundo constante de ondas gravitacionais, demasiado intenso para conseguirmos detectar (pelo menos por agora).

Como poderiam surgir variações de densidade sem inflatões

Os investigadores concluíram que, no seu modelo de espaço-tempo, as ondas gravitacionais produzidas por perturbações tensoriais conseguiriam, por si só, criar variações de densidade no plasma primordial e, ao mesmo tempo, impulsionar a expansão inicial do Universo.

Com o passar do tempo, essas variações formariam aglomerados suficientemente densos para colapsarem sob a acção da gravidade, originando as sementes do Universo primordial - as primeiras estrelas, as primeiras galáxias e os primeiros buracos negros.

Trata-se de uma solução particularmente elegante, por reduzir a dependência de hipóteses não observadas como motor da evolução inicial do Universo, embora, naturalmente, seja necessário trabalho adicional para a confirmar.

Ainda assim, "O nosso mecanismo proposto poderá eliminar a necessidade de um cenário dependente do modelo: a escolha de um campo escalar, como o inflatão, para conduzir a inflação", escrevem os investigadores.

O estudo foi publicado na revista Revisão Física: Investigação.