Como o nosso universo passou a existir? Crédito da imagem: NASA

As ondas gravitacionais estão ajudando os cientistas a desvendar o mistério do que aconteceu quando o universo começou.

Exatamente o que aconteceu no início do universo, 14 bilhões de anos atrás, é um dos maiores mistérios da física - não há uma maneira simples de sondá-lo. Isso porque, em seus estágios iniciais, o universo foi preenchido com um plasma denso - um gás feito de partículas carregadas incluindo elétrons e prótons (partículas que compõem o núcleo atômico ao lado de nêutrons). Fótons (partículas de luz) ficaram presos na mistura, ricocheteando nas outras partículas furiosamente, sem como escapar.

À medida que o universo se expandia e a densidade diminuía o suficiente, os fótons puderam finalmente escapar e a luz começou a viajar livremente. Este evento, ocorrendo 380.000 anos após o big bang, apelidado de "recombinação", deu origem ao primeiro instantâneo da origem do universo - a radiação cósmica de fundo - que observamos com telescópios. A maior parte do que sabemos sobre o universo primitivo se baseia nessa radiação residual do big bang. Mas a recombinação atua como uma parede: não podemos sondar diretamente épocas anteriores com telescópios, pois a luz estava presa naquela época.

Agora, vários projetos estão tentando ouvir o big bang usando ondas gravitacionais - ondulações na própria estrutura do espaço-tempo. Nosso novo projeto terá como objetivo detectar tais ondas em frequências ultra-altas e pode levar à descoberta de uma nova física.

As recentes detecções de ondas gravitacionais, ondulações na própria estrutura do espaço-tempo, pelos experimentos de Ligo / Virgem abriram uma nova janela de observação para o universo. Eles nos permitem investigar fenômenos nos quais a gravidade, em vez da luz, é o mensageiro. As ondas gravitacionais detectadas até agora são chamadas de ondas gravitacionais astrofísicas - elas são criadas por processos físicos relativamente recentes, como fusões de buracos negros.

Os tipos de ondas que podem ser produzidos no início do universo são chamados de ondas gravitacionais cosmológicas e ainda não foram detectados. Essas ondas viajam livremente após serem produzidas; eles agem como fantasmas que podem atravessar a parede de recombinação e fornecer uma ferramenta única para investigar o universo primitivo. Enquanto as ondas gravitacionais astrofísicas vêm de uma direção precisa no céu, as cosmológicas nos chegam de todas as direções possíveis, correspondendo a diferentes regiões onde foram produzidas no passado. Isso os torna muito difíceis de detectar.

Mas a recompensa de ser capaz de detectar ondas gravitacionais cosmológicas seria enorme: há muitos fenômenos cataclísmicos possíveis no universo primitivo que poderiam produzi-los. O pré-aquecimento, por exemplo, pode ser pensado como uma série de explosões durante as quais a energia foi transferida das partículas desconhecidas que impulsionam a inflação - uma época em que o universo explodiu em tamanho - para as partículas descritas no Modelo Padrão de física de partículas hoje. Isso ocorreu quando o universo tinha uma fração de segundo, imediatamente após o fim da inflação. Também é muito provável que o universo tenha mudado de estado algumas vezes (como a água quando fervida) durante seu primeiro segundo: tais eventos são chamados de transições de fase.

Processos envolvendo partículas ainda não descobertas, como axions (que podem constituir matéria escura) também podem ter produzido as ondas. Portanto, se ondas gravitacionais cosmológicas forem detectadas, elas podem nos fornecer informações cruciais sobre o que aconteceu no início dos tempos.

Alta versus baixa frequência

Os detectores de ondas gravitacionais planejadas e atuais focam principalmente em baixas frequências, onde os sinais astrofísicos são garantidos. Eles também podem procurar ondas gravitacionais cosmológicas e serão capazes de sondar os sinais produzidos quando o universo era extremamente jovem, exceto nos primeiros momentos após a inflação.

Existem também outras fontes possíveis que produziriam ondas gravitacionais de alta frequência no universo mais recente. Os exemplos incluem objetos misteriosos chamados estrelas bóson (estrelas feitas de partículas elementares chamadas bósons) ou "buracos negros primordiais", que podem compor a matéria escura. Ambas são entidades hipotéticas que supostamente existem, mas que nunca foram observadas.

A grande maioria dos sinais em alta frequência apontaria imediatamente para partículas ou fenômenos que não podem ser descritos no Modelo Padrão da física de partículas e no Modelo Padrão da cosmologia, nossas melhores descrições da natureza. Portanto, uma descoberta lançaria luz sobre alguns dos problemas não resolvidos de nosso universo, como a composição da matéria escura e a origem da inflação.

Maquinários minúsculos

Existem algumas vantagens claras nos detectores de alta frequência. Primeiro, como o tamanho do detector é proporcional ao comprimento de onda a ser sondado, os detectores de ondas gravitacionais de alta frequência seriam muito menores (e mais baratos) do que os de baixa frequência. O comprimento dos braços do Ligo, por exemplo, é de quatro quilômetros. Sonhamos em ouvir o som do big bang com um detector que caberia na nossa cozinha. Esperamos que isso funcione - em alta frequência, não há sinais astrofísicos de fundo interferindo no que queremos medir.

Porém, detectar ondas gravitacionais de alta frequência é difícil. Um experimento como o Ligo busca a variação da distância entre dois espelhos, causada pela passagem da onda gravitacional, equivalente a uma fração do tamanho do núcleo de um átomo. Como os detectores de ondas gravitacionais de alta frequência são menores, a variação a ser detectada seria ainda menor.

Com nossa tecnologia atualmente disponível, já somos capazes de detectar variações mínimas na faixa de alta frequência (embora ainda não tenhamos captado nenhuma onda gravitacional). Mas precisamos melhorá-lo um pouco mais para detectar ondas gravitacionais do universo primordial. Apoiar esse desenvolvimento tecnológico é o objetivo do nosso projeto.

No final das contas, estamos tentando iniciar uma jornada desafiadora, assim como as pessoas faziam na década de 1970, quando começaram a pesquisar ondas gravitacionais astrofísicas. Demorou quase 50 anos e mais de 20 tentativas, o que mostra que o trabalho árduo e a paciência valeram a pena.
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