p De acordo com a teoria do Big Bang, em algum lugar por volta de 13,8 bilhões de anos atrás, o universo explodiu em existência, como um infinitamente pequeno, bola de fogo compacta de matéria que resfriou à medida que se expandiu, desencadeando reações que cozinharam as primeiras estrelas e galáxias, e todas as formas de matéria que vemos (e são) hoje. p Pouco antes do Big Bang lançar o universo em seu curso em constante expansão, os físicos acreditam, havia outro, fase mais explosiva do universo inicial em jogo:inflação cósmica, que durou menos de um trilionésimo de segundo. Durante este período, matéria - um resfriado, gosma homogênea - inflada exponencialmente rapidamente antes que os processos do Big Bang assumissem o controle para expandir e diversificar mais lentamente o universo infantil.

p Observações recentes apoiaram teorias de forma independente tanto para o Big Bang quanto para a inflação cósmica. Mas os dois processos são tão radicalmente diferentes um do outro que os cientistas têm lutado para conceber como um segue o outro.

p Agora físicos do MIT, Kenyon College, e em outros lugares simularam em detalhes uma fase intermediária do universo primordial que pode ter ligado a inflação cósmica ao Big Bang. Esta fase, conhecido como "reaquecimento, "ocorreu no final da inflação cósmica e envolveu processos que lutaram contra o frio da inflação, matéria uniforme no ultraquente, sopa complexa que existia no início do Big Bang.

p "O período de reaquecimento pós-inflação cria as condições para o Big Bang, e, de certa forma, coloca o 'bang' no Big Bang, "diz David Kaiser, o professor Germeshausen de História da Ciência e professor de física no MIT. "É este período de ponte onde todo o inferno se solta e a matéria se comporta de qualquer maneira, menos de uma maneira simples."

p Kaiser e seus colegas simularam em detalhes como várias formas de matéria teriam interagido durante esse período caótico no fim da inflação. Suas simulações mostram que a energia extrema que impulsionou a inflação poderia ter sido redistribuída com a mesma rapidez, em uma fração ainda menor de segundo, e de uma forma que produziu as condições que seriam necessárias para o início do Big Bang.

p A equipe descobriu que essa transformação extrema teria sido ainda mais rápida e eficiente se os efeitos quânticos modificassem a maneira como a matéria respondia à gravidade em energias muito altas, desviando-se da maneira como a teoria da relatividade geral de Einstein prevê que a matéria e a gravidade devem interagir.

p "Isso nos permite contar uma história ininterrupta, da inflação ao período pós-inflação, para o Big Bang e além, "Kaiser diz." Podemos rastrear um conjunto contínuo de processos, todos com física conhecida, dizer que esta é uma maneira plausível pela qual o universo passou a ter a aparência que o vemos hoje. "

p Os resultados da equipe aparecem hoje em Cartas de revisão física . Os co-autores de Kaiser são a autora principal Rachel Nguyen, e John T. Giblin, ambos do Kenyon College, e o ex-aluno de graduação do MIT Evangelos Sfakianakis e Jorinde van de Vis, ambos da Universidade de Leiden, na Holanda.

p "Em sincronia consigo mesmo"

p A teoria da inflação cósmica, proposto pela primeira vez na década de 1980 por Alan Guth do MIT, o V.F. Weisskopf Professor de Física, prevê que o universo começou como uma partícula extremamente pequena de matéria, possivelmente cerca de um centésimo bilionésimo do tamanho de um próton. Esta partícula foi preenchida com matéria de ultra-alta energia, tão enérgico que as pressões internas geraram uma força gravitacional repulsiva - a força motriz por trás da inflação. Como uma faísca em um fusível, esta força gravitacional explodiu o universo infantil para fora, a um ritmo cada vez mais rápido, inflando-o para quase um octilhão de vezes seu tamanho original (esse é o número 1 seguido por 26 zeros), em menos de um trilionésimo de segundo.

p Kaiser e seus colegas tentaram descobrir como seriam as primeiras fases do reaquecimento - aquele intervalo intermediário no final da inflação cósmica e pouco antes do Big Bang.

p "As primeiras fases de reaquecimento devem ser marcadas por ressonâncias. Uma forma de matéria de alta energia domina, e está balançando para frente e para trás em sincronia consigo mesmo em grandes extensões de espaço, levando à produção explosiva de novas partículas, "Kaiser diz." Esse comportamento não vai durar para sempre, e uma vez que começa a transferir energia para uma segunda forma de matéria, suas próprias oscilações ficarão mais agitadas e irregulares no espaço. Queríamos medir quanto tempo levaria para o efeito ressonante se desfazer, e para as partículas produzidas se espalharem e chegarem a algum tipo de equilíbrio térmico, uma reminiscência das condições do Big Bang. "

p As simulações de computador da equipe representam uma grande rede na qual eles mapearam várias formas de matéria e rastrearam como sua energia e distribuição mudavam no espaço e ao longo do tempo conforme os cientistas variavam em certas condições. As condições iniciais da simulação foram baseadas em um modelo inflacionário específico - um conjunto de previsões de como a distribuição da matéria no universo primitivo pode ter se comportado durante a inflação cósmica.

p Os cientistas escolheram este modelo específico de inflação em vez de outros porque suas previsões se aproximam de medições de alta precisão da radiação cósmica de fundo - um brilho remanescente de radiação emitida apenas 380, 000 anos após o Big Bang, que se pensa conter vestígios do período inflacionário.

p Um ajuste universal

p A simulação acompanhou o comportamento de dois tipos de matéria que podem ter sido dominantes durante a inflação, muito semelhante a um tipo de partícula, o bóson de Higgs, que foi recentemente observado em outros experimentos.

p Antes de executar suas simulações, a equipe acrescentou um leve "ajuste" à descrição da gravidade do modelo. Embora a matéria comum que vemos hoje responda à gravidade, assim como Einstein previu em sua teoria da relatividade geral, importa em energias muito mais altas, como o que se pensava ter existido durante a inflação cósmica, deve se comportar de maneira ligeiramente diferente, interagindo com a gravidade de maneiras que são modificadas pela mecânica quântica, ou interações em escala atômica.

p Na teoria da relatividade geral de Einstein, a força da gravidade é representada como uma constante, com o que os físicos se referem como um acoplamento mínimo, significa que, não importa a energia de uma partícula em particular, ele responderá aos efeitos gravitacionais com uma força definida por uma constante universal.

p Contudo, nas energias muito altas que são previstas na inflação cósmica, a matéria interage com a gravidade de uma maneira um pouco mais complicada. Os efeitos da mecânica quântica predizem que a força da gravidade pode variar no espaço e no tempo ao interagir com matéria de ultra-alta energia - um fenômeno conhecido como acoplamento não mínimo.

p Kaiser e seus colegas incorporaram um termo de acoplamento não mínimo a seu modelo inflacionário e observaram como a distribuição de matéria e energia mudava à medida que aumentavam ou diminuíam esse efeito quântico.

p No final, eles descobriram que quanto mais forte o efeito gravitacional modificado quântico era em afetar a matéria, quanto mais rápido o universo fez a transição do frio, matéria homogênea na inflação para muito mais quente, diversas formas de matéria que são características do Big Bang.

p Ao ajustar este efeito quântico, eles podem fazer com que essa transição crucial ocorra em dobras de 2 a 3 ", "referindo-se à quantidade de tempo que leva para o universo (aproximadamente) triplicar de tamanho. Neste caso, eles conseguiram simular a fase de reaquecimento dentro do tempo que leva para o universo triplicar de tamanho duas a três vezes. Por comparação, a própria inflação ocorreu em cerca de 60 e-fold.

p "O reaquecimento era uma época insana, quando tudo deu errado, "Kaiser diz." Nós mostramos que a matéria estava interagindo tão fortemente naquela época que também podia relaxar correspondentemente rapidamente, definindo lindamente o cenário para o Big Bang. Não sabíamos que era o caso, mas isso é o que está surgindo dessas simulações, todos com física conhecida. Isso é o que é empolgante para nós. "