Quase todo mundo está familiarizado com o Big Bang - a noção de que um ambiente incrivelmente quente, universo denso explodiu naquele que conhecemos hoje. Mas o que sabemos sobre o que veio antes?

Na busca para resolver vários quebra-cabeças descobertos na condição inicial do Big Bang, os cientistas desenvolveram uma série de teorias para descrever o universo primordial, a mais bem-sucedida das quais - conhecida como inflação cósmica - descreve como o universo se expandiu dramaticamente em uma fração fugaz de segundo logo antes do Big Bang.

Mas, por mais bem-sucedida que tenha sido a teoria inflacionária, controvérsias levaram a debates ativos ao longo dos anos.

Alguns pesquisadores desenvolveram teorias muito diferentes para explicar os mesmos resultados experimentais que apoiaram a teoria inflacionária até agora. Em algumas dessas teorias, o universo primordial estava se contraindo em vez de se expandir, e o Big Bang era, portanto, parte de um Big Bounce.

Alguns pesquisadores, incluindo Avi Loeb, o Frank B. Baird, Professor Jr. de Ciências e chefe do Departamento de Astronomia - levantou preocupações sobre a teoria, sugerindo que sua adaptabilidade aparentemente infinita torna tudo menos impossível de testar.

"A situação atual para a inflação é que é uma ideia muito flexível ... não pode ser falsificada experimentalmente, "Loeb disse." Não importa o resultado das pessoas observáveis ​​estabelecidas para medir, sempre há alguns modelos de inflação que podem explicá-lo. ”Portanto, experimentos só podem ajudar a definir alguns detalhes do modelo dentro da estrutura da teoria inflacionária, mas não pode testar a validade da própria estrutura. Contudo, a falseabilidade deve ser a marca registrada de qualquer teoria científica.

É aí que entra Xingang Chen.

Um conferencista sênior em astronomia, Chen e seus colaboradores por muitos anos desenvolveram a ideia de usar algo que ele chamou de "relógio padrão primordial" como uma sonda do universo primordial. Junto com Loeb e Zhong-Zhi Xianyu, um pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Física, Chen aplicou essa ideia às teorias não inflacionárias depois que soube de um intenso debate em 2017 que questionava se as teorias inflacionárias faziam alguma previsão. Em um artigo publicado como sugestão do editor em Cartas de revisão física , a equipe apresentou um método que pode ser usado para falsificar experimentalmente a teoria inflacionária.

Em um esforço para encontrar alguma característica que possa separar a inflação de outras teorias, a equipe começou identificando a propriedade definidora das várias teorias - a história evolutiva do tamanho do universo primordial. "Por exemplo, durante a inflação, por definição, o tamanho do universo cresce exponencialmente, "Xianyu disse." Em algumas teorias alternativas, o tamanho do universo se contrai - em alguns muito lentamente e em alguns muito rápido.

"Os observáveis ​​convencionais que as pessoas propuseram até agora têm dificuldade em distinguir as diferentes teorias porque esses observáveis ​​não estão diretamente relacionados a essa propriedade, "ele continuou." Portanto, queríamos descobrir quais são os observáveis ​​que podem ser vinculados a essa propriedade definidora. "

Os sinais gerados pelo relógio padrão primordial podem servir a esse propósito.

Aquele relógio, Chen disse, é qualquer tipo de partícula elementar extremamente pesada no universo energético primordial. Essas partículas devem existir em qualquer teoria, e eles oscilam em alguma frequência regular, muito parecido com o balanço do pêndulo de um relógio.

O universo primordial não era totalmente uniforme. As flutuações quânticas se tornaram as sementes da estrutura em grande escala do universo de hoje e uma das principais fontes de informação em que os físicos contam para aprender sobre o que aconteceu antes do Big Bang. A teoria delineada por Chen sugere que os tiques do relógio padrão geraram sinais que foram impressos na estrutura dessas flutuações. E porque relógios padrão em diferentes universos primordiais deixariam diferentes padrões de sinais, Chen disse, eles podem ser capazes de determinar qual teoria do universo primordial é mais precisa.

"Se imaginarmos todas as informações que aprendemos até agora sobre o que aconteceu antes do Big Bang estão em um rolo de quadros de filme, então o relógio padrão nos diz como esses frames devem ser reproduzidos, "Chen explicou." Sem qualquer informação do relógio, não sabemos se o filme deve ser reproduzido para a frente ou para trás, rápido ou lento, assim como não temos certeza se o universo primordial estava inflando ou contraindo, e quão rápido fez isso. É aqui que está o problema. O relógio padrão marca a hora em cada um desses quadros quando o filme foi filmado antes do Big Bang, e nos conta sobre o que é esse filme. "

A equipe calculou como esses sinais de relógio padrão deveriam parecer nas teorias não inflacionárias, e sugeriu como procurá-los em observações astrofísicas. "Se um padrão de sinais representando um universo em contração for encontrado, "Xianyu disse, "falsificaria toda a teoria inflacionária, independentemente dos modelos detalhados que alguém constrói. "

O sucesso dessa ideia está na experimentação. "Esses sinais serão muito sutis de detectar, "Disse Chen." Nossa proposta é que deve haver algum tipo de campos massivos que geraram essas impressões e calculamos seus padrões, mas não sabemos quão grande é a amplitude geral desses sinais. Pode ser que eles sejam muito tênues e muito difíceis de detectar, então isso significa que teremos que pesquisar em muitos lugares diferentes.

"A radiação cósmica de fundo em micro-ondas é um lugar, "ele continuou." A distribuição das galáxias é outra. Já começamos a pesquisar esses sinais e já existem alguns candidatos interessantes, mas ainda precisamos de mais dados. "

Esta história foi publicada como cortesia da Harvard Gazette, Jornal oficial da Universidade de Harvard. Para notícias adicionais da universidade, visite Harvard.edu.