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Posts Tagged ‘inflação cosmológica’

O que provocou a inflação?

quinta-feira, 5 mai 2011; \18\UTC\UTC\k 18 2 comentários

Dia sim, dia não, aparece um artigo no arXiv especulando sobre modelos específicos da inflação, e hoje mesmo apareceu um especulando sobre inflação advinda da QCD. Sabe-se pouco sobre a inflação, mas uma coisa que se sabe é o seguinte: o que causou a inflação não foi nada dentro do Modelo Padrão.

Para ocorrer inflação só é necessário um ingrediente: um campo escalar que seja a principal componente de energia do universo. Os demais requisitos são fáceis de ajustar: você sempre pode considerar uma região do espaço suficientemente pequena em comparação com as possíveis anisotropias desse campo dentro do qual a inflação ocorre, e sempre pode fazer o campo escalar decair a partir de um certo instante de tempo acoplando-o a outros campos. O que mais se tem na física de partículas são campos escalares neutros com acoplamento a outras partículas mais leves, então é fácil construir vários cenários com pións, kaons, Higgs…, você escolhe!

Mas nenhum desses pode estar certo. Isso é porque a principal função da inflação cosmológica (e a principal evidência de que ela ocorreu) é gerar a distribuição de probabilidades das anisotropias do universo. Uma vez que consideramos um campo escalar qualquer, o tamanho das anisotropias da radiação cósmica de fundo requerem que o parâmetro de Hubble na época da inflação seja de

H_* = \sqrt{\epsilon_*} \times 2.24(10)\times 10^{13} \; \text{GeV}

Ainda não é possível medir \epsilon_* com precisão, porém dentro de suposições razoáveis os dados do WMAP indicam este parâmetro deve ser da ordem de 10-2 (o valor exato depende do modelo usado para ajustar os dados). Isso sugere que durante a inflação, o parâmetro de Hubble era da ordem de 1012 GeV. Seja lá o que causou a inflação, espera-se que a física dessa escala de energia receba correções de efeitos de uma escala de energia M ainda mais alta. Então nós não podemos esperar que nenhuma teoria que recebe correções de efeitos físicos com M < 1012 GeV possa ter relação com a inflação cosmológica, como é caso de todos os campos do Modelo Padrão. Certamente você pode ajustar finamente que essas correções desapareçam, mas não há nenhuma boa motivação para isso. Dado o valor de H_* a densidade de energia durante a inflação deve ser da ordem de 1016 GeV, então um palpite mais razoável é que a inflação ocorreu devido a algum processo associado a essa escala, que pode ser algo como alguma unificação supersimétrica das forças fundamentais, ou o áxion se você olhar para o fato que M do áxion coincide com H*.

Quem colapsou a função de onda do universo?

segunda-feira, 28 mar 2011; \13\UTC\UTC\k 13 2 comentários

Como ninguém perguntou no último post :( faço eu aqui a pergunta. Existe uma dificuldade conceitual na idéia da origem da estrutura do universo.

Para explicar o problema, deixe-me considerar o caso dos fótons da radiação cósmica de fundo. A temperatura média observada desses fótons é 2.73 K. Essa média é obtida da seguinte forma: o satélite recebe um conjunto de fótons vindos da direção n da abóboda celeste. Cada fóton recebido por unidade de tempo tem uma temperatura diferente; mas somando todos os fótons ao longo de um tempo t suficientemente longo, é possível determinar com uma precisão menor que 1 mK qual a temperatura dos fótons vindo daquela direção, chamemo-la T(n). Como eu disse, prever o valor exato da função T(n) é impossível porque requer saber exatamente qual a posição da Terra em relação ao ponto exato no espaço onde ocorreu o último espalhamento Compton que o fóton sofreu antes de chegar no satélite. No lugar disso, se faz a média T0 sobre todos os pontos da esfera celeste, ou seja, sobre todas as direções n. Essa média independe da direção. Esse é o valor 2.7 K. Nós podemos definir o desvio da média: ΔT(n)=T(n) – T0. A média do desvio da média é zero, mas não é zero a média do produto de dois ΔT(n), isto é o desvio padrão da média. Isso é análogo em mecânica quântica ao fato que a média da posição X pode ser zero, enquanto o mesmo não vale para X2.

A idéia proposta por Mukhanov e Chibisov é que essa média do céu é igual a mesma média obtida em mecânica quântica para a mesma variável. A dificuldade conceitual é que essas duas médias tem significados diferentes. A da mecânica quântica (MQ) significa o seguinte: você prepara o universo para ter início quando o tempo é zero em um estado \Psi, e mede a temperatura dos fótons na direção n em 12 bilhões de anos depois, o que te dará um valor T(n). Você então precisa colocar o universo novamente no estado \Psi no início e medir novamente T(n) 12 bilhões de anos depois, que vai lhe dar outro valor, e assim por diante. Uma série de medidas em vários universos diferentes é a média da MQ. Já a média utilizada na teoria clássica é de um mesmo universo sobre diferentes direções. Poder-se-ia questionar que quando a função de onda do nosso universo colapsou, a distribuição do campo gravitacional congelou em uma configuração específica da mecânica quântica. Essa configuração, tirada uma média sobre o espaço, é que constitui os observáveis astronômicos, e não a média sobre todas as possíveis realizações das flutuações do campo gravitacional, que é a média da física quântica. Mais objetivamente, como, quando e por que as probabilidades quânticas, como o emaranhamento, deixaram de ser flutuações quânticas do campo gravitacional e passaram a ser flutuações clássicas de intensidade do campo gravitacional? Será que toda vez que eu observo um fóton na radiação cósmica de fundo, eu colapso a função de onda de todo o universo? :)

O universo é quântico I

sexta-feira, 25 mar 2011; \12\UTC\UTC\k 12 4 comentários

A gravitação quântica pode estar ali na esquina…

Este vai ser o primeiro do que eu espero ser uma série de posts sobre os recentes avanços em cálculos de gravitação quântica em Cosmologia. Serão em tom de divulgação, mas com alguns detalhes técnicos aqui e ali. Eu não vou me preocupar em dar detalhes de referências no texto porque toma tempo e quem tiver interesse é só procurar ou perguntar. :)

Essa história começa com o seguinte problema. Suponha que eu aqui na Terra com um telescópio queira saber toda a evolução que trouxe a sopa primordial do universo até a formação de todas as galáxias:

 

A distribuição das galáxias no céu visto da Terra depende da posição relativa da Terra as galáxias vizinhas, o que nenhuma teoria cosmológica pode nos dizer. O que nós podemos calcular são na verdade aspectos probabilísticos do universo, como a densidade de massa média em um volume que contém muitas galáxias, ou o número de galáxias a uma dada distância d de outra galáxia. Olhando cada galáxia nas figuras dos telescópios e determinando quantas galáxias estão ao redor dela a uma certa distância d e depois tirando a média dessa quantidade para todas as galáxias vistas no telescópio pode-se tirar um estimador aproximado de como as galáxias estão distribuídas, e então comparar essa função de d com uma previsão da física.

Naturalmente, a física clássica não pode fornecer essa previsão: não faz parte do arcabouço conceitual clássico o conceito de probabilidades associadas aos observáveis físicos. As equações da Relatividade Geral para um fluido como a matéria escura, uma vez dadas as condições iniciais, tem uma evolução futura única. Quando os cosmólogos nos anos 60 toparam com essa questão, a estratégia foi introduzir artificialmente variáveis aleatórias no problema. Então, por exemplo, se A(\mathbf{x}, t) é um observável cosmológico (como a massa que existe no universo), os cosmólogos passaram a escreve-lo assim:

A(\mathbf{x}, t) = \sum_n \alpha_n(\mathbf{x}) A_n (t)

onde A_n(t) é cada uma das possíveis evoluções temporais da Relatividade Geral (t é o tempo) e \alpha(\mathbf{x}) é uma variável estrangeira a teoria que tem algum tipo de distribuição de probabilidade para como o observável se distruibui no espaço, por exemplo:

\langle\alpha_n \rangle = 0
\langle \alpha_n \alpha_m \rangle = P_{nm}

etc., onde \langle O \rangle quer dizer que estamos calculando o valor médio da variável aleatória O com respeito a alguma lei de probabilidade (por exemplo, no problema de um dado não viciado, cada face pode ter uma regra de probabilidade 1/6, e nós poderíamos definir a média de cada face \langle\alpha_i\rangle = 1/6, e a chance de tirar duas faces iguais \langle\alpha_i\alpha_j\rangle = (1/6)\times(1/6)). Na física clássica não existe nada que possa nos dizer a priori qual a distribuição de probabilidades (a não ser um chute!). (Na verdade a distribuição é feita no espaço de Fourier e não sobre o espaço-tempo).

A solução desse problema foi proposta em 1981 pelos russos Viatcheslav Mukhanov e Gennadiy Vasilevich Chibisov, então do Instituto de Física Teórica de Lebedev. Muita gente também dá crédito aos físicos do ocidente que puxaram a descoberta no contexto do modelo inflacionário logo em seguida: Stephen Hawking, Alan Guth e So-Young Pi, James Bardeen, Paul Steinhardt e Michael Turner.

Mukhanov e Chibisov fizeram um cálculo proposto a eles pelo colega Starobinsky: computar as flutuações quânticas do campo gravitacional em um modelo cosmológico proposto por Starobinsky. A suspeita era que os efeitos poderiam ser “grandes” e invalidar todo o modelo cosmológico. O que Mukhanov e Chibisov encontraram é que a distribuição de probabilidades do campo gravitacional quantizado no modelo de Starobinsky era idêntica a distribuição de massa do universo que acreditava-se na época ser necessária para garantir a formação das galáxias no modelo do Big Bang (apesar de que a distribuição de galáxias ainda não tinha sido observada em 1982!). Ora, se a fórmula é idêntica, a física deve ser a mesma: eles propuseram então que a origem da distribuição das galáxias era a gravitação quântica no universo primordial. A solução é muito elegante, pois promover os observáveis cosmológicos a observáveis em mecânica quântica permite associar a eles distribuições de probabilidades de forma natural. Mais importante, permite prever a distribuição de probabilidades do universo.

Hoje em dia a idéia é assim: o universo começou no vácuo, e passou por um período em que as distâncias entre dois pontos cresceram exponencialmente — a inflação. As flutuações quânticas do vácuo são pequenas, mas durante o período inflacionário elas são esticadas de um tamanho de 10-25 cm (cem bilhões de bilhões de vezes menor que o próton) até ao tamanho de uma galáxia. Essa flutuações querem dizer que a intensidade do campo gravitacional não é a mesma no espaço, o campo gravitacional tem uma probabilidade associada a ele de ter valores diferentes, igual como as probabilidades associadas a posição do elétron no átomo de hidrogênio. Os picos e vales de intensidade do campo gravitacional são essas flutuações. Eu já tinha escrito sobre isso no blog aqui.

Mas como é possível que o formato do campo gravitacional quântico no universo primordial possa ter dado origem as galáxias, se a inflação aconteceu mais de 100 milhões de anos antes das galáxias começarem a se formar? A física posterior a inflação não iria bagunçar o campo gravitacional do universo, como por exemplo, através de transições de fases, ou as colisões de prótons a altas energias, ou a formação do plasma de quarks e gluons?

Devido a inflação, essas flutuações se tornam tão grandes — do tamanho de uma galáxia! — que elas são muito maiores que a distância que a luz pode percorrer durante boa parte da história do universo. Quando o universo tinha 3 minutos, por exemplo, a distância que a luz pode percorrer desde o início do universo é de 3 minutos-luz; em comparação, uma galáxia tem cerca de 30 mil anos-luz de diâmetro. Só quando o universo já tinha mais idade que essas flutuações quânticas começam a ser influenciadas por outros efeitos físicos. Por uma boa coincidência de escalas, a temperatura do universo aos 3 minutos de idade era cerca de 1 MeV, que é a escala de energia típica da física nuclear, então esses outros efeitos que alteram a distribuição quântica primordial são física muito bem conhecida: física nuclear “para baixo”.

É curioso como se fala tanto que a física do LHC e do RHIC tem a ver com o Big Bang quando na verdade se sabe que qualquer efeito dessas escalas de energia não tem relevância para cosmologia.

Alguém ai entendeu alguma coisa?

No próximo post eu vou falar sobre os trabalhos recentes sobre as interações dos grávitons no universo primordial que afetam os observáveis cosmológicos, que em breve pode constituir um dos primeiros testes das interações da gravitação quântica graças ao satélite Planck. E depois sobre como se trombou com as diversas dificuldades da quantização da gravidade, e como a Cosmologia tem dado uma luz sobre como fazer contas com a Relatividade Geral quantizada.

Uma palestra técnica sobre o assunto você pode ver aqui, é o seminário “Cosmological Correlations” do Steven Weinberg. Já está desatualizada, mas eu não conheço nenhuma outra mais moderna.

Filhos de uma flutuação quântica

segunda-feira, 27 abr 2009; \18\UTC\UTC\k 18 4 comentários

Post de divulgação ;)

Edição 23/02/10: corrigido uns problemas de erros conceituais na parte das anisotropias e adicionado um comentário técnico para deixar mais claro para quem possa entendê-lo. Da época de quando escrevi esse post para hoje eu deixei de saber apenas algo superficial para entender todos os detalhes da astrofísica do problema, e agora deve estar um pouco mais preciso, espero eu.

A teoria da inflação cosmológica foi originalmente introduzida para resolver certos problemas da teoria do Big Bang que os físicos teóricos chamam de naturalidade. Não são obstáculos a validade do Big Bang, mas características estranhas do modelo que servem de guia para onde talvez exista alguma explicação faltando. Contudo, as razões originais para a inflação hoje são pouco importantes em face ao que a maioria dos cosmólogos entende como o verdadeiro triunfo da inflação: a origem da galáxias como produto de um mecanismo físico da mecânica quântica. Não apenas somos poeira das estrelas, somos também relíquias do princípio da incerteza de Heisenberg.

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