Universo inflacionário

Embora a teoria do Big Bang seja muito bem-sucedida em explicar o espectro de corpo negro da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) e a origem dos elementos leves (artigo anterior), ela apresenta três problemas cruciais:

• O problema da planicidade: os resultados obtidos pela WMAP e corroborados pelo Planck confirmaram que a geometria do universo é praticamente plana. Todavia, de acordo com o modelo padrão do Big Bang, qualquer pequeno desvio em relação à densidade crítica deveria ter crescido com o tempo. Dessa forma, um universo plano como hoje observamos exige que tenha havido uma extrema sintonia fina nas condições iniciais, o que seria, nos termos da teoria convencional, uma coincidência extraordinária.
• O problema do horizonte: regiões do espaço situadas em direções opostas no céu são tão distantes entre si que, segundo a expansão padrão prevista pelo modelo do Big Bang, nunca poderiam ter tido contato causal. Isso porque o tempo de viagem da luz entre elas excederia a idade do próprio universo. Entretanto, a notável uniformidade de temperatura da CMB indica que elas devem ter estado em contato no passado.
• O problema do monopolo: a cosmologia do Big Bang prevê, em certos cenários de grande unificação, que um número muito elevado de monopolos magnéticos - partículas hipotéticas que se comportam como ímãs de um único polo -, pesados e estáveis, deve ter sido produzido no jovem universo. Porém, eles nunca foram observados. Logo, mesmo que existam, são muito mais raros do que o previsto pela teoria.

Analisando esses paradoxos, o físico teórico e cosmólogo Alan Guth propôs a teoria da inflação cósmica, que supõe um período de crescimento exponencial extremamente rápido do universo em seus primeiros instantes, antes de se estabelecer a expansão mais gradual.

Segundo Guth, a evolução do universo teve uma fase inicial em que a expansão foi exponencialmente mais rápida. Nesse período inflacionário, a densidade energética foi dominada por algo dinamicamente equivalente a uma constante cosmológica - um tipo de energia do vácuo que, mais tarde, decaiu para produzir a matéria e a radiação que atualmente preenchem o espaço.

A inflação foi extremamente intensa, aumentando o tamanho linear do universo por um fator da ordem de 10²⁶ em apenas uma ínfima fração de segundo.

Veja como a teoria inflacionária soluciona os problemas do Big Bang:

• Problema da planicidade: imagine que você esteja na superfície de uma bola de futebol (um mundo bidimensional). É evidente que tal superfície é curva e que você está vivendo em um universo fechado. Entretanto, se essa bola crescer até atingir o tamanho da Terra, ela parecerá plana para você, embora continue sendo uma esfera em grande escala. A inflação "esticou" qualquer curvatura inicial do universo tridimensional, tornando-o praticamente plano.
• Problema do horizonte: supondo um surto extremamente rápido de expansão no universo primitivo, isso implica que regiões hoje muito distantes estiveram, de fato, muito próximas antes da inflação, ao contrário do que ocorreria se tivesse prevalecido apenas a expansão padrão do Big Bang. O modelo inflacionário, portanto, permite que tais regiões tenham estado em contato causal antes da inflação e que tenham atingido uma temperatura praticamente uniforme.
• Problema do monopolo: o modelo do universo inflacionário permite que monopolos magnéticos tenham sido produzidos antes do período inflacionário, quando sua densidade sofreu uma diluição colossal. Foi assim que sua abundância caiu para níveis indetectáveis.

O modelo também explica a origem das estruturas presentes no universo. Antes do período inflacionário, a porção do espaço que hoje podemos observar era microscópica, e pequenas flutuações quânticas de densidade, nessa escala, foram ampliadas para dimensões astronômicas durante a inflação.

Assim, ao longo das várias centenas de milhões de anos seguintes, regiões de maior densidade gravitacional condensaram-se em estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias.

Continue lendo para entender melhor como isso aconteceu...