Antecipando descobertas futuras:Cientistas exploram topologia cósmica não trivial
Um mapa da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Crédito:ESA e Colaboração Planck. noirlab.edu/public/images/CMB. Em uma nova
Cartas de Revisão Física (
PRL No estudo, os cientistas exploram a possibilidade de topologias não triviais ou exóticas no universo para explicar algumas das anomalias vistas na radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB).
Nosso modelo cosmológico do universo, baseado na mecânica quântica e na relatividade geral, trata da geometria do universo influenciada pela matéria e pela energia, que para a maioria dos propósitos é considerada plana.
No entanto, não diz nada sobre a topologia do universo em si:é infinito, tem loops, etc. A PRL O estudo concentra-se neste aspecto do universo e se os modelos e dados atuais permitem a presença dessas topologias exóticas ou não triviais.
A pesquisa é feita como parte da colaboração COMPACT composta por uma equipe internacional de cientistas. Um dos coautores do estudo, o professor Glenn D. Starkman, da Case Western Reserve University em Ohio, EUA, conversou com Phys.org sobre o trabalho da equipe.
Discutindo a sua motivação para prosseguir este trabalho, ele disse:"A possibilidade de o universo ter uma topologia 'interessante' está inteiramente dentro do nosso Modelo Padrão da física, mas é, no entanto, tipicamente considerada exótica."
“Há muito tempo que me preocupo com a possibilidade de perdermos uma descoberta extraordinária sobre o nosso universo apenas olhando para o outro lado. Entretanto, há evidências crescentes de que o universo não é ‘estatisticamente isotrópico’, ou seja, que a física é a mesma em todas as direções. A topologia é uma forma muito natural de a anisotropia se infiltrar em nosso universo."
Fundo cósmico em micro-ondas
CMB é um tipo de radiação pertencente ao espectro de microondas. Previsto na década de 1940 como um remanescente do Big Bang, foi detectado em 1965 por acidente.
Após o Big Bang, que foi como o universo atual passou a existir, não havia nada além de uma sopa de partículas e gases fundamentais a temperaturas e pressões extremamente altas, muitas vezes chamada de sopa primordial.
À medida que o universo se expandiu, ele também esfriou. Isso fez com que as partículas fundamentais se combinassem para formar átomos. Até este ponto, os fótons interagiam com essas partículas fundamentais e se espalhavam, não permitindo que viajassem livremente. Mas assim que os átomos começaram a formar-se, os fotões viajaram mais livremente, cerca de 380 mil anos após o Big Bang.
Isto marcou a propagação da CMB, que é considerada um “resultante” do Big Bang. Contém informações importantes sobre o universo primitivo e os processos subsequentes que levaram à formação de estruturas de grande escala, como estrelas e galáxias.
O CMB está presente em todos os lugares e, em sua maior parte, tem temperatura uniforme. No entanto, existem pequenas flutuações e anomalias nos dados do CMB que não foram explicadas.
Os pesquisadores do PRL O estudo propõe que essas flutuações e anomalias nas medições da CMB podem ser explicadas considerando topologias não triviais do universo, o que significa que não precisamos considerá-lo “plano”.
Topologia cósmica
Topologia é um ramo da matemática que trata da forma e estrutura dos objetos. As regras da topologia são bastante diferentes das regras da geometria. Embora geometria e topologia sejam conceitos distintos, a geometria influencia a topologia.
A geometria define como o espaço é curvo (o espaço-tempo é considerado plano em pequenas escalas) e a topologia define a conectividade geral do espaço.
Se tivéssemos um espaço plano, não poderíamos ter topologias onde o espaço se curvasse para dentro ou tivesse loops. Isso significa que para viajar entre dois pontos, teríamos que seguir um caminho em linha reta, sem desvios ou voltas.
O professor Starkman explicou:“O universo pode ser como um videogame antigo, onde sair do lado direito da tela faria com que você aparecesse pela esquerda, para que pudesse voltar ao ponto de partida por um caminho em linha reta. Isso é chamado de estar multiplamente conectado."
Essencialmente, o caminho em linha reta sugere que, apesar da aparência de movimento contínuo, a topologia subjacente do espaço permite uma conectividade inesperada, onde o que parece ser uma trajetória linear pode, na verdade, retornar sobre si mesma.
Círculos de temperatura correspondentes
Se o universo fosse “multiplicadamente conectado” (ou seja, tivesse uma topologia não trivial), observaríamos círculos de temperatura correspondentes. Isso ocorre porque a luz que viaja de uma fonte (como uma estrela) pode percorrer dois caminhos diferentes e chegar ao observador (Terra) de duas direções.
Isso deixa flutuações de temperatura semelhantes em um mapa CMB (ou mapa de calor), resultando em círculos de temperatura correspondentes. No entanto, não houve nenhuma evidência sugerindo a presença destes círculos de temperatura correspondentes.
“A falta de círculos de temperatura correspondentes é o que nos diz sobre o comprimento do circuito fechado mais curto que passa por nós, mas não nos diz sobre o comprimento dos ciclos que passam por outros lugares”, disse o Prof.
A ausência de círculos de temperatura correspondentes nos dados CMB sugere que, se existir uma topologia não trivial, os loops que passam pela nossa localização (Terra) devem ser relativamente pequenos.
Isso limita o comprimento desses loops. O professor Starkman explicou:"Se as anomalias CMB são devidas à topologia cósmica, então o comprimento dos loops mais curtos através de nós não deve ser mais do que cerca de 20-30% maior do que o diâmetro da última superfície de dispersão - uma esfera com um raio igual à distância que a luz percorreu na história do universo."
Restrições e pesquisas futuras
À luz da restrição acima e da busca por uma topologia não trivial, os pesquisadores propõem formas adicionais de detectar tal topologia no futuro.
Em particular, mencionam alterações nos padrões estatísticos das flutuações de temperatura nos dados da CMB, bem como na estrutura em grande escala do universo. Essas flutuações ou alternâncias viriam à tona se uma topologia não trivial estivesse presente.
Porém, essas detecções requerem enorme poder computacional e os pesquisadores sugerem o uso de algoritmos de aprendizado de máquina para acelerar os cálculos e a mineração de dados CMB para detectar topologias não triviais.
"A busca pela topologia será renovada após um hiato de cerca de uma década. Esperançosamente, detectaremos a topologia cósmica e, assim, compreenderemos a origem da anisotropia do nosso universo e teremos um vislumbre dos processos responsáveis pelo surgimento original do nosso universo, " concluiu o Prof. Starkman.
O estudo também destaca que mesmo na ausência de círculos explicitamente correspondidos, a presença de anisotropia estatística (ou anomalias) na CMB indica a existência potencial de informações detectáveis sobre a estrutura e topologia do universo.
