Cientistas estão a “ouvir” o Big Bang e podem revelar uma nova Física

Cientistas estão a tentar “ouvir” o Big Bang usando ondas gravitacionais, o que pode fornecer uma ferramenta única para investigar o Universo primitivo.

O que aconteceu no início do Universo, há 14 mil milhões de anos, é um dos maiores mistérios da Física. Isto porque, nos seus estágios iniciais, o Universo estava preenchido com um plasma denso — fotões (partículas de luz) ficaram presos na mistura, fazendo ricochete furiosamente nas outras partículas, sem ter como escapar.

À medida que o Universo se expandia e a densidade diminuía o suficiente, os fotões puderam finalmente escapar e a luz começou a viajar livremente. Este evento, apelidado de “recombinação”, ocorreu 380.000 anos após o Big Bang e deu origem à primeira fotografia da origem do Universo — a radiação cósmica de fundo — que observamos com telescópios.

A maior parte do que sabemos sobre o Universo primitivo baseia-se nesta 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 altura.

Agora, vários projetos estão a tentar ouvir o Big Bang usando ondas gravitacionais e um novo terá como objetivo detetar tais ondas em frequências ultra-altas, podendo levar à descoberta de uma nova Física.

As recentes deteções de ondas gravitacionais, ondulações na própria estrutura do espaço-tempo, abriram uma nova janela de observação para o Universo — permitem investigar fenómenos nos quais a gravidade, em vez da luz, é a mensageira. As ondas gravitacionais detetadas até agora são chamadas de ondas gravitacionais astrofísicas.

Os tipos de ondas que podem ser produzidos no início do universo são chamados de ondas gravitacionais cosmológicas e ainda não foram detetadas. Essas ondas viajam livremente após serem produzidas; agem como fantasmas que podem atravessar a parede da 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 chegam-nos de todas as direções possíveis, correspondendo a diferentes regiões onde foram produzidas no passado. Isto torna-as muito difíceis de detetar.

Mas a recompensa de ser capaz de detetar ondas gravitacionais cosmológicas seria enorme: há muitos fenómenos 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, para partículas descritas no Modelo Padrão da Física.

Isto 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 o seu primeiro segundo.

Processos que envolvem partículas ainda não descobertas, como axiões (que podem constituir a matéria escura) também podem ter produzido as ondas. Portanto, se ondas gravitacionais cosmológicas forem detetadas, podem fornecer informações cruciais sobre o que aconteceu no início dos tempos.

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

Há também outras fontes possíveis que produziriam ondas gravitacionais de alta frequência no Universo mais recente.

Existem algumas vantagens claras nos detetores de alta frequência. Primeiro, como o tamanho do detetor é proporcional ao comprimento de onda a ser sondado, os detetores de ondas gravitacionais de alta frequência seriam muito mais pequenos (e mais baratos) do que os de baixa frequência. Os cientistas sonham em ouvir o som do Big Bang com um detetor que caberia na cozinha.

No entanto, detetar ondas gravitacionais de alta frequência é difícil. Uma experiência como o Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferómetro Laser (Ligo, na sigla em inglês) procura 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 detetores de ondas gravitacionais de alta frequência são mais pequenos, a variação a ser detetada seria ainda menor.

Com a tecnologia disponível atualmente, já somos capazes de detetar variações mínimas na faixa de alta frequência. Mas precisamos de melhorá-la um pouco mais para detetar ondas gravitacionais do Universo primordial. Apoiar este desenvolvimento tecnológico é o objetivo do novo projeto.

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