O universo pode ser inundado com uma rede de fios invisíveis

E se eu dissesse que nosso universo foi inundado por centenas de tipos de partículas quase invisíveis e que, há muito tempo, essas partículas formaram uma rede de cordas que abrangem o universo? 

Parece alucinante e incrível, mas na verdade é uma previsão da teoria das cordas, nossa melhor (mas frustrantemente incompleta) tentativa de uma teoria de tudo. Essas pequenas partículas bizarras, embora hipotéticas, são conhecidas como axions e, se pudessem ser encontradas, isso significaria que todos vivemos em um vasto "axiverso".

A melhor parte dessa teoria é que não se trata apenas de uma hipótese de poltrona de um físico, sem possibilidade de teste. Esta rede incompreensivelmente enorme de cordas pode ser detectada em um futuro próximo com telescópios de microondas que estão realmente sendo construídos. 

Relacionado: Os maiores mistérios não resolvidos da física

Se encontrado, o axiverso nos daria um grande passo para descobrir o quebra-cabeça de ... bem, toda a física.

Uma sinfonia de cordas

OK, vamos ao que interessa. Primeiro, precisamos conhecer um pouco melhor o áxion. O axião, batizado pelo físico (e, mais tarde, ganhador do Nobel) Frank Wilczek em 1978, recebe esse nome porque é hipotetizado que existe a partir de um certo tipo de quebra de simetria. Eu sei, eu sei - mais jargão. Aguente. Os físicos adoram simetrias - quando certos padrões aparecem na matemática. 

Há um tipo de simetria, chamada simetria CP, que diz que matéria e antimatéria devem se comportar da mesma forma quando suas coordenadas são invertidas. Mas essa simetria não parece se encaixar naturalmente na teoria da força nuclear forte. Uma solução para esse quebra-cabeça é introduzir outra simetria no universo que "corrige" esse mau comportamento. No entanto, essa nova simetria só aparece em energias extremamente altas. Nas baixas energias diárias, essa simetria desaparece e, para explicar isso, surge uma nova partícula - o áxion.

Agora, precisamos nos voltar para a teoria das cordas, que é nossa tentativa (e tem sido nossa principal tentativa por mais de 50 anos) de unificar todas as forças da natureza, especialmente a gravidade, em uma única estrutura teórica. É provado ser um problema especialmente espinhoso de resolver, devido a uma variedade de fatores, e o menos deles é que, para a teoria das cordas funcionar (em outras palavras, para a matemática ter esperança de funcionar), nosso o universo deve ter mais do que as três dimensões usuais de espaço e uma de tempo; tem que haver dimensões espaciais extras.

Essas dimensões espaciais não são visíveis a olho nu, é claro; caso contrário, teríamos notado esse tipo de coisa. Assim, as dimensões extras devem ser minúsculas e enroladas em si mesmas em escalas tão pequenas que escapam aos esforços normais de identificá-las.

O que torna isso difícil é que não temos certeza de como essas dimensões extras se enrolam e há algo em torno de 10 ^ 200 maneiras possíveis de fazer isso.

Mas o que esses arranjos dimensionais parecem ter em comum é a existência de axions, que, na teoria das cordas, são partículas que se enrolam em algumas das dimensões enroladas e ficam presas.

Além disso, a teoria das cordas não prevê apenas um axion, mas potencialmente centenas de tipos diferentes, em uma variedade de massas, incluindo o axion que pode aparecer nas previsões teóricas da força nuclear forte.

Cordas bobas

Portanto, temos muitos novos tipos de partículas com todos os tipos de massas. Ótimo! Os axions poderiam formar matéria escura, que parece ser responsável por dar às galáxias a maior parte de sua massa, mas não pode ser detectada por telescópios comuns? Possivelmente; é uma questão em aberto. Mas os axions como matéria escura têm que enfrentar alguns testes de observação desafiadores, então alguns pesquisadores, em vez disso, focam na extremidade mais clara das famílias dos axions, explorando maneiras de encontrá-los.

E quando esses pesquisadores começam a investigar o comportamento previsto desses áxions leves no início do universo, eles descobrem algo verdadeiramente notável. Nos primeiros momentos da história do nosso cosmos, o universo passou por transições de fase, mudando todo o seu caráter de estados exóticos de alta energia para estados regulares de baixa energia. 

Durante uma dessas transições de fase (que aconteceu quando o universo tinha menos de um segundo), os eixos da teoria das cordas não apareceram como partículas. Em vez disso, pareciam loops e linhas - uma rede de cordas leves e quase invisíveis cruzando o cosmos.

Este axiverse hipotético, preenchido com uma variedade de cordas de axion leves, não é previsto por nenhuma outra teoria da física, mas a teoria das cordas. Então, se determinarmos que vivemos em um axiverso, seria um grande benefício para a teoria das cordas. 

Uma mudança na luz

Como podemos pesquisar essas cordas de axion? Os modelos prevêem que as cordas dos axions têm massa muito baixa, então a luz não colidirá com um axion e se dobrará, ou os axions provavelmente não se misturariam com outras partículas. Pode haver milhões de cordas de áxions flutuando na Via Láctea agora, e não as veríamos.

Mas o universo é antigo e grande, e podemos usar isso a nosso favor, especialmente quando reconhecemos que o universo também é retroiluminado.

A radiação cósmica de fundo (CMB) é a luz mais antiga do universo, emitida quando era apenas um bebê - cerca de 380.000 anos de idade. Esta luz encharcou o universo por todos esses bilhões de anos, filtrando-se através do cosmos até que finalmente atinge algo, como nossos telescópios de microondas. 

Portanto, quando olhamos para o CMB, o vemos através de bilhões de anos-luz de universo. É como olhar para o brilho de uma lanterna através de uma série de teias de aranha: se houver uma rede de cordas de axions enfiadas no cosmos, poderemos potencialmente identificá-las.

Em um estudo recente, publicado no banco de dados arXiv em 5 de dezembro, um trio de pesquisadores calculou o efeito que um axiverso teria na luz CMB. Eles descobriram que, dependendo de como um pouco de luz passa perto de uma corda de axion em particular, a polarização dessa luz pode mudar. Isso ocorre porque a luz CMB (e toda luz) é feita de ondas de campos elétricos e magnéticos, e a polarização da luz nos diz como os campos elétricos são orientados - algo que muda quando a luz CMB encontra um axion. Podemos medir a polarização da luz CMB passando o sinal através de filtros especializados, o que nos permite detectar este efeito. 

Os pesquisadores descobriram que o efeito total no CMB de um universo cheio de cordas introduziu uma mudança na polarização de cerca de 1%, o que está bem próximo do que podemos detectar hoje. Mas os futuros mapeadores CMB, como o Cosmic Origins Explorer, o satélite Lite (Light) para os estudos de polarização em modo B e inflação da detecção de radiação cósmica de fundo (LiteBIRD), e o Primordial Inflation Explorer (PIXIE), estão atualmente sendo projetados. Esses telescópios futuristas seriam capazes de farejar um axiverso. E assim que esses mapeadores ficarem online, descobriremos que vivemos em um axiverso ou excluiremos esta previsão específica da teoria das cordas.

De qualquer maneira, há muito o que desvendar.

Paul M. Sutter é astrofísico em The Ohio State University, anfitrião de Pergunte a um astronauta e Rádio Espacial, e autor de Seu lugar no universo.

• Do Big Bang ao presente: instantâneos de nosso universo ao longo do tempo
• As 11 maiores perguntas sem resposta sobre a matéria escura
• 5 partículas elusivas além do Higgs

Originalmente publicado em .