O universo de buraco negro propõe uma nova origem para o Big Bang

O Big Bang é muitas vezes apresentado como o nascimento explosivo do Universo - um instante único em que espaço, tempo e matéria teriam surgido do nada.

Mas e se esse momento não tivesse sido, afinal, o verdadeiro começo? E se o nosso Universo tivesse resultado de outra coisa - algo simultaneamente mais familiar e, ainda assim, profundamente radical?

Num novo artigo publicado na Physical Review D, eu e os meus colegas avançamos uma alternativa arrojada. Pelos nossos cálculos, o Big Bang não foi o início de tudo: terá sido, antes, a consequência de um esmagamento gravitacional (um “crunch”, ou colapso) que originou um buraco negro extremamente massivo - seguido de um ressalto no seu interior.

A esta proposta damos o nome de universo de buraco negro. Embora mude de forma drástica a narrativa das origens cósmicas, assenta inteiramente em física conhecida e em observações já disponíveis.

Limitações do modelo cosmológico padrão

O modelo cosmológico padrão actual, alicerçado no Big Bang e na inflação cósmica (a hipótese de que o Universo primordial aumentou de tamanho de forma muito rápida), tem tido um sucesso notável a explicar a estrutura e a evolução do Universo. Ainda assim, esse sucesso tem custos: algumas das perguntas mais fundamentais continuam sem resposta.

Desde logo, o Big Bang é formulado a partir de uma singularidade - um ponto de densidade infinita onde as leis da física deixam de funcionar. Isto não é apenas um detalhe técnico; é um problema teórico profundo, que sugere que, no essencial, não compreendemos verdadeiramente o “começo”.

Para justificar a estrutura em grande escala do Universo, os físicos introduziram uma curta fase de expansão acelerada, a inflação cósmica, alimentada por um campo desconhecido com propriedades pouco usuais. Mais tarde, para explicar a expansão acelerada observada hoje, acrescentou-se mais um ingrediente “misterioso”: a energia escura.

Em suma, o modelo padrão da cosmologia descreve bem o que vemos - mas fá-lo à custa de componentes novos que nunca observámos directamente. Entretanto, as questões mais básicas mantêm-se: de onde veio tudo? Porque começou desta forma? E porque é que o Universo é tão plano, tão homogéneo e tão grande?

Novo modelo do universo de buraco negro

O nosso modelo aborda estas perguntas por uma via diferente - olhando para dentro, e não para fora. Em vez de partir de um Universo em expansão e tentar recuar até ao seu início, analisamos o que sucede quando uma concentração de matéria demasiado densa colapsa sob a acção da gravidade.

Trata-se de um processo bem conhecido: estrelas podem colapsar e formar buracos negros, que estão entre os objectos mais bem compreendidos da física. O que acontece no interior de um buraco negro - para lá do horizonte de acontecimentos, de onde nada pode escapar - continua, porém, envolto em incerteza.

Em 1965, o físico britânico Roger Penrose demonstrou que, em condições muito gerais, o colapso gravitacional tem de conduzir a uma singularidade. Esse resultado, mais tarde ampliado pelo falecido físico britânico Stephen Hawking e por outros, sustenta a ideia de que singularidades - como a associada ao Big Bang - seriam inevitáveis.

Essa linha de trabalho valeu a Penrose uma parte do Prémio Nobel da Física de 2020 e inspirou o bestseller mundial de Hawking A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes.

Há, no entanto, um senão. Estes “teoremas da singularidade” assentam na “física clássica”, que descreve objectos macroscópicos comuns. Se introduzirmos os efeitos da mecânica quântica - que governa o microcosmos de átomos e partículas e que é indispensável a densidades extremas -, o desfecho pode ser diferente.

No nosso novo trabalho, mostramos que o colapso gravitacional não precisa de terminar numa singularidade. Encontramos uma solução analítica exacta - um resultado matemático sem aproximações. A matemática indica que, ao aproximarmo-nos do que seria a singularidade, a dimensão do Universo evolui como uma função (hiperbólica) do tempo cósmico.

Esta solução simples descreve como uma nuvem de matéria em colapso pode atingir um estado de densidade muito elevada e, em seguida, sofrer um ressalto - voltando a expandir-se numa nova fase em crescimento.

Mas então porque é que os teoremas de Penrose parecem excluir este tipo de evolução? A chave está numa regra conhecida como princípio de exclusão quântico, segundo a qual duas partículas idênticas chamadas férmions não podem ocupar o mesmo estado quântico (por exemplo, em termos de momento angular, ou “spin”).

Mostramos que esta regra impede que as partículas na matéria em colapso sejam comprimidas sem limite. Consequentemente, o colapso abranda, pára e inverte-se. O ressalto não é apenas possível - nas condições certas, torna-se inevitável.

O ponto crucial é que este ressalto ocorre totalmente dentro do quadro da relatividade geral (válida a grandes escalas, como estrelas e galáxias), combinado com princípios básicos da mecânica quântica - sem necessidade de campos exóticos, dimensões extra ou física especulativa.

Do outro lado do ressalto surge um universo notavelmente semelhante ao nosso. De forma ainda mais surpreendente, o rebote gera naturalmente duas fases distintas de expansão acelerada - a inflação e a energia escura - impulsionadas não por campos hipotéticos, mas pela própria física do ressalto.

Previsões testáveis

Uma das grandes virtudes deste modelo é produzir previsões que podem ser confrontadas com dados. Em particular, prevê uma pequena, mas não nula, curvatura espacial positiva - isto é, o Universo não seria exactamente plano, mas ligeiramente curvo, como a superfície da Terra.

Essa curvatura seria um vestígio da pequena sobredensidade inicial que desencadeou o colapso. Se observações futuras - como as da missão Euclid, actualmente em curso - confirmarem uma curvatura positiva reduzida, isso seria um forte indício de que o nosso universo emergiu, de facto, de um ressalto deste tipo. O modelo também prevê a taxa de expansão do Universo actual, algo que já foi confirmado.

Pistas para buracos negros supermassivos, matéria escura e formação de galáxias

Este enquadramento faz mais do que resolver dificuldades técnicas da cosmologia padrão. Pode igualmente lançar luz sobre outros enigmas profundos do Universo primordial - como a origem dos buracos negros supermassivos, a natureza da matéria escura ou a formação e evolução hierárquica das galáxias.

Estas questões serão investigadas por futuras missões espaciais, como a Arrakhis, que irá estudar estruturas difusas difíceis de detectar com telescópios tradicionais a partir da Terra - por exemplo, halos estelares (uma estrutura esférica de estrelas e enxames globulares que envolve as galáxias) e galáxias satélite (galáxias mais pequenas que orbitam outras maiores). Estes dados deverão ajudar-nos a compreender a matéria escura e a evolução galáctica.

É possível, também, que estes fenómenos estejam associados a objectos compactos relictos - como buracos negros - formados durante a fase de colapso e que sobreviveram ao ressalto.

O universo de buraco negro oferece ainda uma nova perspectiva sobre o nosso lugar no cosmos. Neste cenário, todo o nosso universo observável encontra-se no interior de um buraco negro que se formou num universo “pai” maior.

Não somos especiais - tal como a Terra não o era na visão geocêntrica, o que levou Galileu (o astrónomo que defendeu, nos séculos XVI e XVII, que a Terra gira em torno do Sol) a ser colocado em prisão domiciliária.

Não estamos a assistir ao nascimento de tudo a partir do nada, mas sim à continuação de um ciclo cósmico - moldado pela gravidade, pela mecânica quântica e pelas interligações profundas entre ambas.

Enrique Gaztanaga, Professor no Instituto de Cosmologia e Gravitação (Universidade de Portsmouth), Universidade de Portsmouth

Este artigo é republicado de The Conversation ao abrigo de uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.