Em uma conferência no Japão há alguns anos, David Dunsky assisti a uma palestra sobre ondas gravitacionais, ondulações na estrutura do espaço-tempo criadas quando objetos massivos como estrelas e buracos negros aceleram.

Dunsky era um estudante de pós-graduação em física de partículas na época, e seus interesses aparentemente estavam em outro lugar. Os físicos de partículas buscam a verdade mais fundamental que sustenta as regras físicas com as quais estamos familiarizados. Há muito que eles usam colisores de partículas de alta energia para testar suas ideias. Ao esmagar partículas com energias insondáveis, estes cientistas podem descobrir os blocos de construção dos blocos de construção – os fenómenos de alta energia que acontecem em escalas de curta distância. Esses fenômenos também nos contam sobre os primeiros momentos do universo, quando ele era minúsculo, denso e incrivelmente quente.

Mas Dunsky aprendeu na palestra que futuros observatórios de ondas gravitacionais, como a proposta Antena Espacial de Interferômetro a Laser (LISA), poderiam ser usados ​​para sondar a física de alta energia. O LISA seria capaz de detectar objetos hipotéticos chamados cordas cósmicas, vastas cadeias de energia concentrada que poderiam ter surgido durante o nascimento do universo. “Fiquei viciado em tentar entender os sinais das ondas gravitacionais do universo primitivo”, disse Dunsky, que agora é cosmólogo e físico de partículas na Universidade de Nova York, “e como eles poderiam nos contar sobre a física de energia muito, muito alta, potencialmente distante. além do que podemos detectar atualmente com um colisor.”

A sua mudança para as ondas gravitacionais como um caminho a seguir para a física de partículas exemplifica um interesse cada vez maior na futura experiência LISA e, talvez, uma mudança mais ampla. Doze anos se passaram desde a última grande descoberta de um colisor de partículas. A descoberta do bóson de Higgs no Large Hadron Collider (LHC) em 2012 completou o Modelo Padrão da física de partículas, a teoria reinante das partículas e forças elementares conhecidas. E embora os teóricos tenham desde então pensado num zoológico de possíveis teorias que estendem o Modelo Padrão, não está claro se podemos construir aceleradores capazes de testar essas ideias.

“As pessoas estão falando sobre construir colisores nos próximos 50 anos que sejam 10 vezes mais potentes que o LHC em termos de energia”, disse Raman Sundrum, físico teórico de partículas da Universidade de Maryland. No entanto, testar grandes teorias unificadas, que atribuem as três forças do Modelo Padrão a uma única força subjacente que opera a distâncias mais curtas, “pareceria necessário um colisor que tivesse 10 mil milhões de vezes a energia do LHC”, disse ele.

O que não podemos produzir num colisor, poderemos observar na natureza. Especificamente, as respostas podem estar nos ecos gravitacionais dos processos que se desenrolaram nos primeiros momentos da criação, quando o universo era tão energético que a física além do Modelo Padrão teria reinado.

Essa é a esperança de físicos de partículas como Dunsky e Sundrum, que agora recorrem ao LISA para testar as suas teorias. O conceito de missão foi desenvolvido pela primeira vez no início da década de 1980 e proposto formalmente à Agência Espacial Europeia (ESA) na década seguinte. O projecto foi desenvolvido em colaboração com a NASA durante algum tempo, mas os americanos desistiram em 2011 devido a preocupações orçamentais, forçando a Europa a avançar sozinha. No entanto, em Janeiro deste ano, a LISA obteve finalmente autorização da ESA, que está agora a encontrar parceiros industriais para iniciar a construção. O anúncio surge após o sucesso retumbante em 2015 e 2016 de uma missão piloto, LISA Pathfinder, que testou as principais tecnologias do futuro observatório.

O LISA agora está programado para voar na década de 2030. Durante quatro anos, o seu conjunto de três satélites percorrerá o espaço num triângulo equilátero com alguns milhões de quilómetros de diâmetro, refletindo lasers nos cubos dourados mantidos em queda livre perfeita dentro de cada nave para sentir as ondulações no espaço-tempo.

“Pela primeira vez, podemos realmente obter algo diretamente daquela época muito antiga” do universo, disse Isabel Garcia Garcia, físico de partículas e cosmólogo da Universidade de Washington. Se a LISA realmente conseguir captar ondas gravitacionais primordiais, acrescentou ela, será o nosso primeiro vislumbre dos primeiros momentos do cosmos. “Do ponto de vista da física de partículas, isso é obviamente incrivelmente emocionante.”

Sorte LISA

Se de facto o LISA conseguir detectar ondas gravitacionais primordiais na próxima década, será devido a um extraordinário golpe de sorte cósmica.

Nenhum telescópio jamais revelará os primeiros momentos da criação. Os telescópios veem o passado do universo detectando luz que viajou de longe. Mas os primeiros 380,000 mil anos após o Big Bang estão escondidos atrás de uma espécie de cortina cósmica. Naquela época, o universo estava cheio de plasma ionizado que espalhava fótons, tornando-o opaco à luz.

Ao contrário da luz, as ondas gravitacionais podiam ondular livremente pelo universo primitivo. Os observatórios terrestres existentes, como o LIGO e o Virgo, provavelmente não são sensíveis a estas ondas primordiais. Mas LISA poderá ouvir o que aconteceu no palco antes da cortina cósmica subir.

“É como ouvir algo no nevoeiro”, disse Sundrum.

Tal como os observatórios de ondas gravitacionais terrestres, o LISA detectará ondulações no espaço-tempo utilizando lasers para medir com precisão a distância ao longo dos seus “braços” – neste caso, as linhas no espaço vazio entre as três naves espaciais na sua constelação triangular. Quando uma onda gravitacional passa, ela estica e contrai o espaço-tempo. Isto cria uma ligeira diferença nos comprimentos dos braços do LISA, que o instrumento pode detectar rastreando o desalinhamento dos picos e depressões de seus feixes de laser. Removido do ambiente barulhento da Terra, o LISA será muito mais sensível do que os interferômetros existentes como o LIGO, que tem sido usado para detectar colisões de buracos negros e estrelas de nêutrons. Também será muito maior; cada um de seus braços será quase 400 vezes maior que o raio da Terra.

Mesmo assim, as mudanças na distância que o LISA sentirá são extremamente pequenas – cerca de 50 vezes menores que um átomo. “É um conceito bastante maluco, se você pensar bem”, disse Nora Lützgendorf, astrofísico da ESA e cientista do projeto LISA.

O tamanho e a sensibilidade do LISA permitir-lhe-ão observar ondas gravitacionais muito mais longas do que as observáveis ​​por interferómetros terrestres. O LIGO pode detectar ondas gravitacionais com comprimentos de onda entre cerca de 30 e 30,000 quilómetros, mas o LISA pode captar ondas que variam em comprimento desde algumas centenas de milhares de quilómetros até alguns milhares de milhões. Isto permitirá ao LISA ouvir eventos astrofísicos que os observatórios terrestres não conseguem “ouvir”, como as fusões de buracos negros supermassivos (em oposição a buracos negros do tamanho de estrelas). E a banda de comprimento de onda do LISA também tem exatamente o tamanho que os físicos esperam das ondas gravitacionais geradas nos primeiros momentos após o Big Bang.

A física de alta energia no início do universo criou ondulações gravitacionais e, à medida que o universo se expandia e o espaço se estendia, essas ondas atingiram dimensões enormes. Acontece que LISA está perfeitamente preparada para pegar as ondas criadas nos primeiros 10^-17 para 10^-10 segundos após o Big Bang – praticamente no início dos tempos. O limite curto desse intervalo, 10^-17 segundos, é um período tão breve que caberia tantas vezes em um segundo quanto os segundos cabem na idade do universo.

“Existe essa serendipidade”, disse Chiara Caprini, cosmólogo teórico da Universidade de Genebra e do CERN. Há uma correspondência entre “a banda de frequência de detecção do LISA e esta época específica na evolução do universo que marca a fronteira do nosso conhecimento da física de partículas”.

Além do modelo padrão

Até essa fronteira, o Modelo Padrão faz um excelente trabalho ao explicar como o seu rebanho de 17 partículas elementares interage com três forças: a força eletromagnética, a força nuclear forte e a força nuclear fraca. Mas, apesar dos seus enormes sucessos, ninguém pensa que estas partículas e forças sejam o princípio e o fim de toda a existência.

A teoria tem suas falhas. Por exemplo, o massa do bóson de Higgs — o componente do Modelo Padrão que determina as massas de outras partículas — é frustrantemente “antinatural.” Parece arbitrário e surpreendentemente pequeno em comparação com as escalas de energia muito maiores do universo. Além disso, o Modelo Padrão não oferece nenhuma explicação para a matéria escura, nem para a misteriosa energia escura que impulsiona a expansão acelerada do espaço. Outro problema é que a antimatéria e a matéria se comportam exatamente da mesma forma sob as três forças do Modelo Padrão – o que obviamente não é a história completa, já que a matéria domina o universo. E então há a gravidade. O Modelo Padrão ignora completamente a quarta força fundamental, que deve ser descrita usando a sua própria teoria personalizada, a relatividade geral.

“Portanto, muitos teóricos como eu têm tentado comprimir um pouco o Modelo Padrão e tentar fazer extensões dele”, disse Pierre Auclair, cosmólogo teórico da Universidade Católica de Louvain, na Bélgica. Mas sem provas experimentais para testá-las, estas teorias estendidas permanecem, bem, teóricas.

Auclair é um teórico. “Mas, ainda assim, estou tentando estar vinculado aos experimentos tanto quanto posso”, disse ele. Essa é uma das razões pelas quais ele se sentiu atraído pela LISA. “Essas extensões geralmente levam a diferentes eventos extremos no universo primitivo”, disse ele.

Garcia Garcia também disse que a promessa da LISA de evidências observacionais para a física de altas energias a levou a repensar sua carreira - as ondas gravitacionais poderiam “sondar o universo primitivo de uma forma que nenhum outro experimento consegue”, disse ela. Há alguns anos, ela começou a estudar ondas gravitacionais e como a física além do Modelo Padrão deixaria impressões digitais detectáveis ​​pelo LISA.

No ano passado, Garcia Garcia e seus colegas trabalho publicado na assinatura das ondas gravitacionais das paredes das bolhas – barreiras energéticas entre bolsões de espaço que ficaram presas em diferentes estados à medida que o universo esfriava. Esse resfriamento aconteceu à medida que o universo se expandia. Assim como a água ferve e se transforma em vapor, o universo passou por transições de fase. No Modelo Padrão, a transição de fase durante a qual uma única força “eletrofraca” se dividiu em forças eletromagnéticas e fracas separadas foi relativamente suave. Mas muitas extensões da teoria prevêem eventos violentos que deixaram a sopa cósmica espumosa e perturbada, disse Dunsky, que também estuda defeitos topológicos como paredes de bolhas.

Os campos quânticos que permeiam nosso universo têm estados de energia mínima, ou estados fundamentais. E à medida que o Universo arrefeceu, desenvolveram-se novos estados fundamentais de energia mais baixa, mas um determinado campo nem sempre aterrava imediatamente no seu novo estado fundamental. Alguns ficaram presos em mínimos de energia locais – falsos estados fundamentais que apenas parecem estáveis. Às vezes, porém, um pequeno pedaço do universo criaria um túnel quântico para o estado verdadeiro, nucleando uma bolha de vácuo verdadeiro em rápida expansão com uma energia mais baixa do que a do universo exterior.

“Essas bolhas são muito energéticas; eles estão se movendo muito perto da velocidade da luz devido à diferença de pressão entre seu interior e exterior”, disse Dunsky. “Então, quando eles colidem, você obtém uma colisão violenta entre esses dois objetos muito relativísticos, algo semelhante à forma como os buracos negros emitem fortes ondas gravitacionais logo antes de colidirem.”

Cordas e Paredes

Mais especulativamente, as transições de fase no universo primitivo também poderiam ter criado estruturas chamadas cordas cósmicas e paredes de domínio – enormes fios e lençóis, respectivamente, de energia densa.

Essas estruturas surgem quando o estado fundamental de um campo quântico muda de tal forma que há mais de um novo estado fundamental, cada um igualmente válido. Isto pode resultar em defeitos de alta energia ao longo das fronteiras entre bolsões do universo que caíram em estados fundamentais diferentes, mas igualmente favoráveis.

O processo é um pouco parecido com o modo como certas rochas desenvolvem magnetismo natural à medida que esfriam, disse Dunsky, que estudou as impressões digitais observáveis do processo. Em altas temperaturas, os átomos são orientados aleatoriamente. Mas em temperaturas baixas, torna-se energeticamente favorável para eles se alinharem magneticamente – o estado fundamental muda. Sem algum campo magnético externo para orientar os átomos, eles são livres para se alinharem em qualquer direção. Todas as “escolhas” são igualmente válidas, e diferentes domínios do mineral farão, por acaso, escolhas diferentes. O campo magnético gerado por todos os átomos curva-se dramaticamente nas fronteiras entre os domínios.

Da mesma forma, os campos quânticos em diferentes regiões do universo “devem mudar rapidamente nos limites” destes domínios, disse ele, resultando em grandes densidades de energia nestes limites que “significam a presença de uma parede de domínio ou corda cósmica”.

Essas cordas cósmicas e paredes de domínio, se existissem, teriam se estendido para abranger praticamente todo o universo à medida que o espaço se expandia. Esses objetos produzem ondas gravitacionais à medida que as dobras se propagam ao longo deles e os loops oscilam e formam cúspides. Mas as escalas de energia dessas ondas foram definidas principalmente como os objetos formados nos primeiros momentos do universo. E a LISA poderia detectá-los, se existirem.

Ecos da Criação

As ondas gravitacionais que nos chegam desde o início do Universo não chegarão em sons bem embalados, como os sinais de colisões de buracos negros. Como aconteceram tão cedo no tempo, esses sinais já se espalharam por todo o espaço. Eles ecoarão em todas as direções, em todos os pontos do espaço, todos ao mesmo tempo – um zumbido gravitacional de fundo.

“Você liga o detector e ele está sempre lá”, disse Garcia Garcia.

Os padrões neste cenário provavelmente “pareceriam apenas ruído para a pessoa comum”, disse Sundrum. “Mas secretamente existe um código oculto.”

Uma pista importante será o espectro do sinal de fundo – a sua intensidade em diferentes frequências. Se pensarmos num sinal de onda gravitacional como som, o seu espectro seria um gráfico de altura versus volume. O ruído branco verdadeiramente aleatório teria um espectro plano, disse Auclair. Mas as ondas gravitacionais desencadeadas durante as transições de fase ou emitidas por cordas cósmicas ou paredes de domínio seriam mais fortes em frequências específicas. Auclair trabalhou no cálculo das assinaturas espectrais de cordas cósmicas, que emitem ondas gravitacionais em comprimentos de onda característicos quando suas torções e voltas evoluem. E Caprini caso como as transições de fase violentas deixariam sua própria marca no fundo das ondas gravitacionais.

Outra abordagem, que Sundrum e seus colegas delineado em 2018 e elaborado recentemente, seria tentar mapear a intensidade geral do fundo no céu. Isso tornaria possível procurar anisotropias, ou manchas que são um pouquinho mais altas ou mais silenciosas que a média.

“O problema”, disse Caprini, “é que esse tipo de sinal tem praticamente as mesmas características do ruído do instrumento. Portanto, toda a questão é como sermos capazes de distingui-lo quando detectamos algo.”

LISA é mais parecido com um microfone do que com um telescópio. Em vez de olhar para uma determinada direção, ele ouvirá todo o céu de uma só vez. Ele ouvirá ondas gravitacionais primordiais, se estiverem presentes. Mas também ouvirá os chilreios e uivos da fusão de buracos negros, estrelas de nêutrons e os muitos pares de estrelas anãs brancas em nossa galáxia. Para que o LISA detecte um fundo de ondas gravitacionais primordiais, todos os outros sinais terão de ser cuidadosamente identificados e removidos. Filtrar o verdadeiro sinal do universo primitivo será como captar o som de uma brisa primaveril em um canteiro de obras.

Mas Sundrum opta por ter esperança. “Não estamos loucos para fazer a pesquisa”, disse ele. “Será difícil para os experimentalistas. Será difícil para o público pagar pelas diversas coisas que precisam ser feitas. E será difícil para os teóricos calcular o caminho para superar todas as incertezas, erros, antecedentes e assim por diante.”

Mas ainda assim, acrescentou Sundrum, “parece ser possível. Com um pouco de sorte.