Embora a teoria da relatividade geral de Einstein possa explicar uma grande variedade de fenômenos astrofísicos e cosmológicos fascinantes, alguns aspectos das propriedades do universo em escalas maiores permanecem um mistério. Um novo estudo usando a cosmologia quântica em loop - uma teoria que usa a mecânica quântica para estender a física gravitacional além da teoria da relatividade geral de Einstein - é responsável por dois mistérios principais. Embora as diferenças nas teorias ocorram nas menores escalas - muito menores do que até mesmo um próton - elas têm consequências nas maiores escalas acessíveis do universo. O estudo, que aparece online em 29 de julho no jornal Cartas de revisão física , também fornece novas previsões sobre o universo que futuras missões de satélite podem testar.

Embora uma imagem reduzida do universo pareça bastante uniforme, tem uma estrutura em grande escala, por exemplo, porque as galáxias e a matéria escura não estão uniformemente distribuídas por todo o universo. A origem dessa estrutura foi rastreada até as minúsculas inomogeneidades observadas no Fundo Cósmico de Microondas (CMB) - radiação emitida quando o universo tinha 380 mil anos de idade que ainda podemos ver hoje. Mas o próprio CMB tem três características intrigantes que são consideradas anomalias porque são difíceis de explicar usando a física conhecida.

"Embora ver uma dessas anomalias possa não ser tão estatisticamente notável, ver dois ou mais juntos sugere que vivemos em um universo excepcional, "disse Donghui Jeong, professor associado de astronomia e astrofísica na Penn State e autor do artigo. "Um estudo recente na revista Nature Astronomy propôs uma explicação para uma dessas anomalias que levantaram tantas preocupações adicionais, eles sinalizaram uma 'possível crise na cosmologia'. Usando cosmologia de loop quântico, Contudo, resolvemos duas dessas anomalias naturalmente, evitando essa crise potencial. "

A pesquisa nas últimas três décadas melhorou muito nossa compreensão do universo primitivo, incluindo como as não homogeneidades no CMB foram produzidas em primeiro lugar. Essas inomogeneidades são resultado de flutuações quânticas inevitáveis ​​no universo primitivo. Durante uma fase altamente acelerada de expansão em tempos muito iniciais - conhecida como inflação - esses primordiais, flutuações minúsculas foram estendidas sob a influência da gravidade e semearam as inomogeneidades observadas na CMB.

"Para entender como surgiram as sementes primordiais, precisamos de um olhar mais atento para o universo primordial, onde a teoria da relatividade geral de Einstein falha, "disse Abhay Ashtekar, Evan Pugh Professor de Física, titular da cadeira Eberly Family em Física, e diretor do Penn State Institute for Gravitation and the Cosmos. "O paradigma inflacionário padrão baseado na relatividade geral trata o espaço-tempo como um continuum suave. Considere uma camisa que parece uma superfície bidimensional, mas, em uma inspeção mais próxima, você pode ver que é tecido por fios unidimensionais densamente compactados. Desta maneira, o tecido do espaço-tempo é realmente tecido por fios quânticos. Ao contabilizar esses fios, a cosmologia quântica em loop nos permite ir além do continuum descrito pela relatividade geral, onde a física de Einstein falha - por exemplo, além do Big Bang. "

A investigação anterior dos pesquisadores sobre o universo primordial substituiu a ideia de uma singularidade do Big Bang, onde o universo emergiu do nada, com o Big Bounce, onde o atual universo em expansão emergiu de uma massa supercomprimida que foi criada quando o universo se contraiu em sua fase anterior. Eles descobriram que todas as estruturas em grande escala do universo explicadas pela relatividade geral são igualmente explicadas pela inflação após este Big Bounce usando equações de cosmologia quântica em loop.

No novo estudo, os pesquisadores determinaram que a inflação sob a cosmologia quântica em loop também resolve duas das principais anomalias que aparecem na relatividade geral.

"As flutuações primordiais das quais estamos falando ocorrem na escala incrivelmente pequena de Planck, "disse Brajesh Gupt, um pesquisador de pós-doutorado na Penn State no momento da pesquisa e atualmente no Texas Advanced Computing Center da Universidade do Texas em Austin. "O comprimento de Planck é cerca de 20 ordens de magnitude menor do que o raio de um próton. Mas as correções da inflação nesta escala inimaginavelmente pequena explicam simultaneamente duas das anomalias nas maiores escalas do universo, em um tango cósmico do muito pequeno e do muito grande. "

Os pesquisadores também produziram novas previsões sobre um parâmetro cosmológico fundamental e ondas gravitacionais primordiais que poderiam ser testadas durante futuras missões de satélite, incluindo LiteBird e Cosmic Origins Explorer, que continuará a melhorar nossa compreensão do universo primitivo.