Melhor resposta
Colisões multiverso podem pontuar o céu
No início da história cósmica, nosso universo pode ter esbarrado em outro – um choque primordial que poderia ter deixado vestígios no resquício do Big Bang.
Os físicos estão procurando por evidências de uma colisão antiga com outro universo.
Como muitos de seus colegas, Hiranya Peiris , um cosmólogo da University College London, uma vez rejeitou amplamente a noção de que nosso universo pode ser apenas um de muitos em um vasto multiverso . Era cientificamente intrigante, ela pensou, mas também fundamentalmente não testável. Ela preferia focar sua pesquisa em questões mais concretas, como como as galáxias evoluem.
Então, em um verão no Aspen Center for Physics, Peiris se viu conversando com o Matt Johnson , que mencionou seu interesse em desenvolver ferramentas para estudar a ideia. Ele sugeriu que eles colaborassem.
No início, Peiris estava cético. “Eu acho que, como observador, qualquer teoria, por mais interessante e elegante que seja, está seriamente ausente se não tiver consequências testáveis”, disse ela. Mas Johnson a convenceu de que poderia haver uma maneira de testar o conceito. Se o universo que habitamos tivesse colidido há muito tempo com outro universo, a queda teria deixado uma impressão no fundo cósmico de micro-ondas (CMB), o leve brilho residual de a grande explosão. E se os físicos pudessem detectar tal assinatura, ela forneceria uma janela para o multiverso.
Erick Weinberg , físico da Universidade de Columbia, explica este multiverso comparando-o a um caldeirão fervente, com as bolhas representando universos individuais – bolsões isolados de espaço-tempo. Conforme a panela ferve, as bolhas se expandem e às vezes colidem. Um processo semelhante pode ter ocorrido nos primeiros momentos do cosmos.
Nos anos desde seu encontro inicial, Peiris e Johnson estudaram como uma colisão com outro universo nos primeiros momentos do tempo teria enviado algo semelhante a uma onda de choque em nosso universo. Eles acham que podem encontrar evidências de tal colisão em dados do telescópio espacial Planck, que mapeia o CMB.
O projeto pode não funcionar, Peiris admite. Requer não apenas que vivamos em um multiverso, mas também que nosso universo colidisse com outro em nossa história cósmica primordial. Mas se os físicos forem bem-sucedidos, eles terão a primeira evidência improvável de um cosmos além do nosso .
When Bubbles Collide
As teorias do multiverso já foram relegadas à ficção científica ou território maluco. “Parece que você foi para uma terra louca”, disse Johnson, que tem compromissos conjuntos no Perimeter Institute of Theoretical Physics e na York University. Mas os cientistas criaram muitas versões do que pode ser um multiverso, algumas menos malucas do que outras.
O multiverso em que Peiris e seus colegas estão interessados não é a controversa hipótese de “muitos mundos” que surgiu primeiro proposto na década de 1950 e sustenta que cada evento quântico gera um universo separado. Nem é este conceito de um multiverso relacionado ao tropo de ficção científica popular de mundos paralelos, novos universos que se separam de nosso espaço-tempo e se tornam reinos separados. Em vez disso, esta versão surge como consequência da inflação, uma teoria amplamente aceita dos primeiros momentos do universo.
A inflação afirma que nosso universo experimentou uma explosão repentina de expansão rápida um instante após o Big Bang, explodindo de uma partícula infinitesimalmente pequena para uma que mede um quarto de bilhão de anos-luz em meras frações de segundo.
No entanto, a inflação, uma vez iniciada, tende a nunca parar completamente. De acordo com a teoria, quando o universo começar a se expandir, ele terminará em alguns lugares, criando regiões como o universo que vemos ao nosso redor hoje. Mas em outros lugares a inflação simplesmente continuará eternamente no futuro.
Esse recurso levou cosmologistas a contemplar um cenário chamado inflação eterna. Nesta imagem, regiões individuais do espaço param de se inflar e se tornam “universos-bolha” como aquele em que vivemos. Mas em escalas maiores, a expansão exponencial continua para sempre, e novos universos-bolha estão sendo criados continuamente. Cada bolha é considerada um universo por si só, apesar de fazer parte do mesmo espaço-tempo, porque um observador não poderia viajar de uma bolha para a próxima sem se mover mais rápido que a velocidade da luz. E cada bolha pode ter suas próprias leis físicas distintas. “Se você compra a inflação eterna, ela prevê um multiverso”, disse Peiris.
Em 2012, Peiris e Johnson se uniram a Anthony Aguirre e Max Wainwright – ambos físicos da Universidade da Califórnia, Santa Cruz – para construir um multiverso simulado com apenas duas bolhas. Eles estudaram o que aconteceu depois que as bolhas colidiram para determinar o que um observador veria. A equipe concluiu que uma colisão de dois universos-bolha pareceria para nós como um disco no CMB com um perfil de temperatura distinto.
Uma colisão antiga com um universo-bolha teria alterado a temperatura do fundo de micro-ondas cósmico (esquerda), criando um disco tênue no céu (direita) que poderia ser potencialmente observado.
Olena Shmahalo / Quanta Revista; fonte: S. M. Freeney et. al., Physical Review Letters
Para se proteger contra o erro humano – tendemos a ver os padrões que queremos ver – eles criaram um conjunto de algoritmos para automaticamente procure por esses discos em dados da Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), um observatório baseado no espaço. O programa identificou quatro regiões potenciais com flutuações de temperatura consistentes com o que poderia ser a assinatura de uma colisão de bolhas. Quando os dados do satélite Planck estiverem disponíveis no final deste ano, os pesquisadores devem ser capazes de melhorar essa análise anterior.
Ainda assim, detectar assinaturas convincentes do multiverso é complicado. Saber simplesmente como pode ser um encontro requer uma compreensão completa da dinâmica das colisões de bolhas – algo bastante difícil de modelar em um computador, dada a complexidade de tais interações.
Ao lidar com um novo problema, os físicos normalmente encontrar um bom modelo que eles já entendam e adaptá-lo fazendo pequenos ajustes que eles chamam de “perturbações”. Por exemplo, para modelar a trajetória de um satélite no espaço, um físico pode usar as leis clássicas do movimento descritas por Isaac Newton no século 17 e, em seguida, fazer pequenos refinamentos calculando os efeitos de outros fatores que podem influenciar seu movimento, como pressão do vento solar. Para sistemas simples, deve haver apenas pequenas discrepâncias do modelo não perturbado. Tente calcular os padrões de fluxo de ar de um sistema complexo como um tornado, no entanto, e essas aproximações se desfarão. As perturbações introduzem mudanças repentinas e muito grandes no sistema original, em vez de refinamentos menores e previsíveis.
Modelar colisões de bolhas durante o período inflacionário do início do universo é semelhante a modelar um tornado. Por sua própria natureza, a inflação estende o espaço-tempo a uma taxa exponencial – precisamente o tipo de grandes saltos nos valores que tornam o cálculo da dinâmica tão desafiador.
“Imagine que você comece com uma grade, mas dentro de um instantâneo, a grade se expandiu para um tamanho enorme ”, disse Peiris. Com seus colaboradores, ela usou técnicas como refinamento de malha adaptativa – um processo iterativo de separação dos detalhes mais relevantes em tal grade em escalas cada vez mais finas – em suas simulações de inflação para lidar com a complexidade. Eugene Lim , físico do Kings College London, descobriu que um tipo incomum de onda viajante pode ajudar a simplificar ainda mais as coisas.
Resposta
Tudo está em expansão – e isso é uma pergunta natural de se fazer. Como tudo pode estar se expandindo para longe de todas as outras coisas e ainda assim colidir?
Parte da culpa por essa confusão está nos tipos de diagramas e linguagem que usamos para demonstrar a expansão do universo. Se eu disser “o espaço entre cada galáxia está se expandindo, de modo que cada galáxia parece se afastar de todas as outras galáxias”, essa é uma boa maneira de fazer você imaginar uma expansão do espaço. Isso também significa que estou ignorando tudo o que está acontecendo que pode estar complicando a situação, para tornar a ideia de expansão do espaço o mais clara possível.
Nesse caso, o que está complicando a situação é o nosso antigo gravidade amiga. Se cada galáxia no universo fosse espaçada uniformemente – por exemplo, se todas fossem dispostas como se fossem pontos em uma grade – então a descrição simples também é precisa. Não haveria mais nada acontecendo. Cada galáxia continuaria a evoluir em isolamento total, vagarosamente se distanciando de qualquer outra coisa.
Simulação numérica da densidade de importa quando o universo tinha 4,7 bilhões de anos. A formação da galáxia segue os poços gravitacionais produzidos pela matéria escura, onde o gás hidrogênio se aglutina e as primeiras estrelas se inflamam. Crédito da imagem: V. Springel et al. 2005, Nature, 435, 629
Não é assim que o nosso universo se parece.Nosso universo parece muito mais uma teia de aranha do que uma grade, com grandes nós de galáxias e pequenos filamentos de galáxias se estendendo de cada nó. Os grandes nós são aglomerados de galáxias e podem conter milhares de galáxias. Suas contrapartes menores, grupos de galáxias, possuem algumas galáxias. Nossa própria galáxia está em um pequeno grupo, com Andrômeda e um bando de galáxias anãs muito pequenas.
Esses aglomerados e grupos são o que acontece quando as galáxias se formam perto o suficiente umas das outras para que a gravidade possa juntá-las. Se uma galáxia estiver perto o suficiente de outra galáxia, e não se mover muito rápido, a gravidade impedirá que eles realmente se separem novamente. Essas galáxias podem passar muitos bilhões de anos caindo uma em direção à outra, e geralmente irão se perder na primeira tentativa de colisão, então vão gastar muitos mais bilhões de anos voltando juntas por uma segunda e talvez uma terceira tentativa. Nossa galáxia e Andrômeda estão no primeiro estágio de queda juntas, o que provavelmente levará cerca de mais 3 bilhões de anos antes que seja difícil separar nossas duas galáxias.
Este sistema consiste em um par de galáxias, apelidadas de NGC 3690 (ou Arp 299), que passou por perto cerca de 700 milhões de anos atrás. Como resultado dessa interação, o sistema passou por uma forte explosão de formação de estrelas. Nos últimos quinze anos, aproximadamente, seis supernovas surgiram nos confins da galáxia, tornando este sistema uma notável fábrica de supernovas. Crédito: NASA, ESA, Hubble Heritage (STScI / AURA) -ESA / Hubble Collaboration, e A. Evans (University of Virginia, Charlottesville / NRAO / Stony Brook University)
Fundamentalmente, o fato de nós ver colisões de galáxias se resume a duas coisas; galáxias não se formaram em uma grade, e a força de expansão do nosso universo é menos forte do que a força da gravidade para galáxias que estão próximas umas das outras. Se a força de expansão fosse muito, muito mais forte do que é, então nem mesmo a gravidade seria capaz de juntar as galáxias, e cada galáxia seria realmente uma ilha do universo, isolada para sempre. Felizmente para nós, a gravidade ainda reina suprema, desde que as condições sejam adequadas.