E se eu lhe dissesse que nosso universo foi inundado com centenas de tipos de partículas quase invisíveis e que, há muito tempo, essas partículas formaram uma rede de cadeias que abrangem o universo?
Soa trippy e impressionante, mas na verdade é uma previsão da teoria das cordas, a nossa melhor (mas frustrantemente incompleta) tentativa de uma teoria de tudo. Essas pequenas partículas bizarras, embora hipotéticas, são conhecidas como axions e, se puderem ser encontradas, isso significaria que todos nós vivemos em um vasto "axiverso".
A melhor parte dessa teoria é que não se trata apenas da hipótese de uma poltrona de um físico, sem possibilidade de teste. Essa rede incompreensivelmente enorme de cordas pode ser detectada em um futuro próximo com telescópios de micro-ondas que estão sendo realmente construídos.
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 o axion um pouco melhor. O axion, nomeado pelo físico (e, mais tarde, ganhador do Nobel) Frank Wilczek em 1978, recebe esse nome porque se supõe existir 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 do PC, que diz que matéria e antimatéria devem se comportar da mesma maneira quando suas coordenadas são revertidas. 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 "corrija" esse mau comportamento. No entanto, essa nova simetria aparece apenas com energias extremamente altas. Nas baixas energias cotidianas, essa simetria desaparece e, para explicar isso, surge uma nova partícula - o axio.
Agora, precisamos recorrer à teoria das cordas, que é a nossa tentativa (e tem sido a nossa principal tentativa há mais de 50 anos) de unificar todas as forças da natureza, especialmente a gravidade, em uma única estrutura teórica. Está provado ser um problema especialmente difícil de resolver, devido a uma variedade de fatores, entre os quais, para que a teoria das cordas funcione (em outras palavras, para que a matemática tenha uma esperança de resolver), nossa o universo deve ter mais do que as três dimensões usuais do espaço e uma do 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. Portanto, as dimensões extras devem ser minúsculas e se enroscarem em escalas tão pequenas que evitam os esforços normais para identificá-las.
O que dificulta isso é que não temos exatamente certeza de como essas dimensões extras se dobram, 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 torno de algumas das dimensões enroladas e ficam presas.
Além disso, a teoria das cordas não prevê apenas um eixo, mas potencialmente centenas de tipos diferentes, em uma variedade de massas, incluindo o eixo que pode aparecer nas previsões teóricas da força nuclear forte.
Cordas tolas
Portanto, temos muitos novos tipos de partículas com todos os tipos de massas. Ótimo! Poderiam axônios 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 pergunta em aberto. Mas axions como matéria escura precisam enfrentar alguns testes observacionais desafiadores, então alguns pesquisadores se concentram na extremidade mais leve das famílias axion, explorando maneiras de encontrá-las.
E quando esses pesquisadores começam a investigar o comportamento previsto desses axônios de penas no universo inicial, descobrem algo verdadeiramente notável. Nos primeiros momentos da história do nosso cosmos, o universo passou por transições de fase, mudando todo o seu personagem 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 de idade), os eixos da teoria das cordas não apareceram como partículas. Em vez disso, pareciam laços e linhas - uma rede de cordas leves e quase invisíveis, cruzando o cosmos.
Esse axiverso hipotético, preenchido com uma variedade de cordas de axônio leves, não é previsto por nenhuma outra teoria da física, a não ser a teoria das cordas. Portanto, se determinarmos que vivemos em um axiverso, seria um grande benefício para a teoria das cordas.
Uma mudança na luz
Como podemos procurar essas cadeias de axônios? Os modelos prevêem que as cordas do axônio têm massa muito baixa, de modo que a luz não colide com um eixo e dobra, ou é provável que os eixos não se misturem com outras partículas. Poderia haver milhões de cordas de axion flutuando pela Via Láctea agora, e não as veríamos.
Mas o universo é velho e grande, e podemos usá-lo para nossa vantagem, especialmente quando reconhecemos que o universo também é iluminado.
O fundo cósmico de microondas (CMB) é a luz mais antiga do universo, emitida quando era apenas um bebê - cerca de 380.000 anos. Essa luz absorveu o universo por todos esses bilhões de anos, filtrando-se pelo cosmos até finalmente atingir algo, como nossos telescópios de microondas.
Então, quando olhamos para o CMB, vemos através de bilhões de anos-luz do 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 axion enfiadas no cosmos, poderíamos 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 axio específica, a polarização dessa luz pode mudar. Isso ocorre porque a luz CMB (e toda a 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 axio. Podemos medir a polarização da luz CMB passando o sinal através de filtros especializados, permitindo-nos captar esse efeito.
Os pesquisadores descobriram que o efeito total no CMB de um universo cheio de cordas introduziu uma mudança na polarização em torno de 1%, o que está à beira do que podemos detectar hoje. Mas futuros mapeadores de CMB, como o Cosmic Origins Explorer, satélite Lite (Light) para os estudos de polarização e inflação no modo B da Detecção de Radiação de Fundo Cósmico (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 descartamos essa previsão específica da teoria das cordas.
De qualquer forma, há muito o que desembaraçar.
Paul M. Sutter é um astrofísico daUniversidade Estadual de Ohioanfitrião dePergunte a um astronauta eRádio Espaciale autor deSeu lugar no universo.
