O nosso cosmos começou dentro de um buraco negro em outro universo? Novo estudo questiona a teoria do Big Bang

 "Desafiar suposições antigas é essencial para o progresso científico."

Ilustração conceitual mostrando a matéria em transição de um buraco negro para um buraco branco. (Crédito da imagem: VICTOR de SCHWANBERG/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Getty Images) 

Uma equipe de cientistas propõe uma alternativa ousada à teoria do Big Bang, sugerindo que nosso universo pode ter se formado dentro de um buraco negro colossal, residindo em um universo-mãe maior. A teoria do Big Bang, juntamente com a relatividade geral de Einstein, explicou com sucesso importantes fenômenos cosmológicos, incluindo a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a estrutura em larga escala do universo e sua expansão acelerada, frequentemente associada à energia escura.

No entanto, problemas fundamentais permanecem com essa teoria, como a natureza inexplicada da energia escura e da matéria escura , a singularidade no Big Bang e as inconsistências entre a relatividade geral e a mecânica quântica. "A maioria dos cientistas respondeu propondo uma nova forma misteriosa de energia — [chamada] energia escura — ou modificando as leis da física", disse Enrique Gaztañaga, professor da Universidade de Portsmouth, ao Space.com. "Mas essas são medidas drásticas."

Gaztañaga diz que ele e seus colegas se perguntaram se uma explicação mais simples seria suficiente. "[Nosso estudo] começou com uma pergunta simples, mas profunda: por que a expansão do universo está se acelerando?", disse ele. "Todo o nosso universo observável está dentro de seu próprio raio gravitacional, o que significa que, visto de fora, pareceria um buraco negro. Isso levou a uma ideia radical: e se o universo se formasse da mesma forma que uma estrela colapsa em um buraco negro?"

Acredita-se que o universo tenha começado como um ponto extremamente quente e denso, conhecido como singularidade, que passou por uma rápida expansão apenas frações de segundo após o Big Bang . "Se retrocedermos essa expansão usando leis físicas conhecidas, eventualmente alcançaremos um ponto de densidade infinita — uma singularidade — onde o espaço, o tempo e a matéria parecem começar", disse Gaztañaga. "Como a física falha nesse ponto, ele tem sido frequentemente interpretado como um evento de criação: o início de tudo."

O novo estudo explora a ideia de que o universo pode não ter começado com uma singularidade, mas sim emergido do colapso de uma nuvem massiva de matéria em outro universo. Para investigar, a equipe de pesquisa realizou simulações em busca de uma solução que pudesse abordar algumas das inconsistências nas teorias cosmológicas atuais — e, inesperadamente, descobriu que já existe uma solução analítica exata que descreve os princípios fundamentais desse processo. 

"Sob as condições certas, esse colapso não termina em uma singularidade — em vez disso, ele salta e começa a se expandir novamente", disse Gaztañaga. "Esse salto imita o que chamamos de Big Bang."

Embora "cenários de salto" tenham sido propostos no passado , este modelo se destaca por se basear exclusivamente em leis conhecidas da física. Ele evita a introdução de partículas ou forças especulativas e descreve um colapso puramente gravitacional ocorrendo dentro de um buraco negro .

"Na mecânica quântica, duas partículas idênticas (como elétrons ou nêutrons) não podem ocupar o mesmo estado — elas não podem estar exatamente no mesmo lugar ao mesmo tempo", explicou Gaztañaga. "Esse princípio cria um tipo de pressão — chamada pressão de degenerescência — que resiste à compressão. É o que impede que os núcleos de estrelas moribundas entrem em colapso indefinidamente e é o que pode desencadear a explosão de uma supernova . Em nosso modelo, é esse mesmo efeito quântico que interrompe o colapso do universo e o faz saltar."

Uma hipótese não incluída no artigo atual é que a gravidade interage diretamente com o campo de Higgs — um campo quântico subatômico responsável por dar massa às partículas, conforme confirmado por experimentos no Grande Colisor de Hádrons.

Em ambientes muito densos e de alta energia, os efeitos quânticos tornam-se importantes, afirma Sravan Kumar, pesquisador visitante da Universidade de Portsmouth e outro dos autores do estudo. Se a gravidade interagir com o campo de Higgs nessas condições, essa interação poderá alterar o comportamento da gravidade. Por exemplo, se a interação entre a gravidade e o campo de Higgs se tornar repulsiva em densidades de energia extremamente altas, ela poderá neutralizar o colapso gravitacional. Em vez de colapsar em uma singularidade, o universo poderá se recuperar — revertendo da contração para a expansão.

"Isso poderia explicar as altas densidades observadas nos dados da radiação cósmica de fundo em micro-ondas e sugerir que um salto gravitacional poderia naturalmente vincular a gravidade à mecânica quântica, sem a necessidade de novas teorias especulativas", disse Kumar.

"[Se houver matéria suficiente], a gravidade supera forças quânticas como a pressão de degeneração, [que pode estabilizar diferentes tipos de estrelas contra o colapso]", acrescentou Swaraj Pradhan, aluno de mestrado visitante na Universidade de Portsmouth e outro colaborador do estudo. "Embora entendamos essas forças em anãs brancas e estrelas de nêutrons, não temos dados em primeira mão nas densidades extremas após a formação dos buracos negros. 

Este conceito artístico mostra os arredores de um buraco negro, incluindo seu disco de acreção, jato e campo magnético.(Crédito da imagem: ESO/L. Calçada)

"Em vez de presumir uma singularidade onde a física falha, é justo pensar que efeitos quânticos podem impedir singularidades reais", continuou Pradhan. "A resposta mais honesta é que ainda não sabemos com certeza. Nosso modelo simplesmente extrapola [ideias] bem testadas, mantendo-se consistente com a física conhecida."

O modelo prevê uma pequena curvatura espacial positiva do universo e a existência de objetos remanescentes, como buracos negros primordiais ou estrelas de nêutrons, formados antes de um salto cósmico.

"O salto gravitacional do nosso modelo baseia-se em uma pequena curvatura espacial positiva do universo, consequência da massa e do raio finitos do buraco negro no qual o universo colapsou, e do princípio de exclusão de Pauli, que afirma que duas partículas quânticas, mais especificamente, férmions, não podem ocupar o mesmo estado quântico simultaneamente", explicou Michael Gabler, pesquisador da Universidade de Valência e outro dos autores do estudo. "O colapso ocorre completamente dentro da estrutura da teoria da relatividade geral de Einstein, e esperamos a existência de objetos remanescentes, como buracos negros primordiais ou estrelas de nêutrons, formados antes de um salto cósmico."

"Se encontrarmos tais relíquias, especialmente no universo primitivo, isso seria uma forte evidência a favor [desta teoria]", acrescentou Gaztañaga. "De fato, alguns resultados iniciais do Telescópio Espacial James Webb (JWST) encontraram galáxias surpreendentemente antigas perto da origem do universo. Essas descobertas podem ser difíceis de conciliar com a linha do tempo padrão do Big Bang, mas poderiam fazer sentido se relíquias antigas, como buracos negros supermassivos, ajudassem as galáxias a se formarem mais rapidamente."

"É claro que sugerir que o Big Bang não foi o início absoluto de tudo é controverso", continuou Gaztañaga. "[Cientistas] podem relutar em ir além de modelos familiares. Mas desafiar suposições antigas é essencial para o progresso científico."

Um estudo sobre essa teoria foi publicado na revista Physical Review D.

Space.com