Quando questionadas sobre como o universo começou, a maioria das pessoas responderá com aquelas três palavras familiares: o Big Bang. Esta explosão primordial, que ocorreu há aproximadamente 14 bilhões de anos, iniciou um processo de expansão contínua que moldou nossa compreensão moderna do cosmos. Durante décadas, os cosmólogos visualizaram o universo como um lugar de fluxo constante, onde diferentes formas de energia se sucedem em épocas bem definidas, desde a inflação inicial até a atual dominação da energia escura.
No entanto, uma equipe audaciosa de cosmólogos está questionando fundamentalmente essa visão estabelecida. Liderados por Keith Dienes da Universidade do Arizona, estes pesquisadores propõem algo verdadeiramente revolucionário: a história do universo pode ter sido pontuada por períodos de estranha quietude, épocas de “estase cósmica” onde o cosmos permanece em um equilíbrio peculiar mesmo enquanto continua se expandindo [1].
Esta não é uma volta à teoria do estado estacionário dos anos 1960, que foi descartada pelas observações. Trata-se de algo completamente novo e mais intrigante. Durante estes períodos de estase cósmica, a quantidade de energia nas formas de matéria, radiação e até mesmo energia escura permanece fixa, criando um tipo extraordinário de ato de equilíbrio entre todas as formas de energia conhecidas. Como observa Adrienne Erickcek da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill, “está apontando para uma família inteiramente diferente de possibilidades que antes não percebíamos que poderiam acontecer” [1].
Se confirmada, esta teoria poderia resolver uma série de enigmas cosmológicos fundamentais, incluindo a natureza da matéria escura, a tensão de Hubble e até mesmo fornecer uma explicação mais elegante para o período inflacionário do universo primitivo. Mais emocionante ainda, estas ideias podem em breve ser testáveis através de observações de ondas gravitacionais e outras técnicas astronômicas avançadas.
A Linha Temporal Cósmica Tradicional: Um Universo em Constante Transformação
Para compreender a magnitude desta nova proposta, é essencial primeiro estabelecer a cronologia cósmica tradicional que tem guiado a cosmologia moderna. O Big Bang deu início a tudo há cerca de 14 bilhões de anos, causando uma expansão do espaço que continua até hoje. À medida que esta expansão prosseguiu, a energia do universo mudou sua distribuição entre diferentes formas, criando uma sequência de épocas distintas, cada uma dominada por um tipo específico de energia [1].
A primeira foi a época da inflação, um período de aceleração rápida que durou apenas uma fração minúscula de segundo. Esta fase foi dominada por uma forma de energia intrínseca ao vácuo do espaço-tempo, gerada por uma partícula elementar hipotética chamada inflaton. Após a inflação, o universo passou por uma época de reaquecimento, durante a qual esta energia do vácuo foi convertida em matéria, que então decaiu em radiação.
Isso levou à época da radiação, assim chamada porque inicialmente havia muito mais energia na forma de radiação – como fótons – do que matéria. Mas conforme o universo se expande, a radiação se dilui mais rapidamente que a matéria. Portanto, após aproximadamente 50.000 anos, esta se transformou na época da matéria, que durou cerca de 10 bilhões de anos.
Durante este longo período, a matéria evoluiu em complexidade, desde átomos e moléculas até estrelas, galáxias e vastas teias cósmicas. Mas conforme o universo continuou a crescer, ele eventualmente se tornou dominado por outro tipo de energia misteriosa do vácuo chamada energia escura, que não se dilui conforme o espaço-tempo se expande. Vivemos nesta época da energia escura, frequentemente considerada a era final, na qual o cosmos se expande cada vez mais rapidamente enquanto a matéria se dilui incessantemente.
Aos olhos da maioria dos cosmólogos, a passagem entre estas épocas é uma marcha inevitável e incessante. “Esta tem sido a tradição padrão desde o início da cosmologia [moderna]”, observa Keith Dienes da Universidade do Arizona [1]. O consenso de que a energia do universo se transmuta continuamente tem sido um pilar fundamental da cosmologia por décadas.
O Desafio Revolucionário: Épocas de Estase Cósmica
Agora, este consenso está sendo desafiado por Dienes e seus colaboradores: Lucien Heurtier do King’s College London, Fei Huang do Instituto Weizmann de Ciência em Israel, Tim Tait da Universidade da Califórnia em Irvine, e Brooks Thomas do Lafayette College na Pensilvânia. Em uma série de artigos recentes, a equipe levanta a possibilidade impressionante de que épocas inovadoras caracterizadas pela quietude poderiam ter surgido por períodos estendidos em nosso passado cósmico – e podem ocorrer novamente no futuro [1].
Nestas épocas de estase cósmica, a quantidade de energia nas formas de matéria, radiação e até mesmo energia escura permanece fixa, mesmo que o universo esteja se expandindo. Não há um único tipo de energia dominando durante períodos de estase cósmica. Em vez disso, existe um tipo peculiar de ato de equilíbrio entre todas elas.
A descoberta desta possibilidade não foi intencional. A equipe estava inicialmente investigando ideias relacionadas a partículas ainda não descobertas, especificamente o conceito de “torres” – conjuntos de partículas relacionadas entre si por certas propriedades, como suas massas. Estas poderiam ser as “superpartículas” mais pesadas de partículas conhecidas previstas por uma hipótese chamada supersimetria, ou uma família de partículas de matéria escura escondidas em dimensões extras, como partículas “áxion” manifestadas pela teoria das cordas [1].
A Descoberta Acidental que Mudou Tudo
Na primavera de 2020, enquanto trabalhava com Dienes, Heurtier simulou se tais torres de partículas afetariam a inflação ou suas consequências devido à forma como a matéria decaía. “Comecei a construir um código, colocando muitas partículas diferentes lá”, ele relembra. “E sempre víamos na simulação que matéria e radiação se equilibrariam de uma forma estranha” [1].
Qualquer que fosse o tipo de torre de partículas com que começassem, a simulação naturalmente evoluía em direção a pelo menos um período estendido de estase. “Literalmente tropeçamos nisso – isto é o que o universo faz se há torres de partículas”, diz Dienes [1]. Esta descoberta acidental revelou um aspecto completamente novo da evolução cósmica que havia passado despercebido pelos modelos tradicionais.
Em 2022, os cinco colaboradores, junto com Doojin Kim da Texas A&M University que desde então deixou a colaboração, publicaram a receita para épocas estáticas de matéria e radiação. Um ano depois, eles mostraram que a estase ainda ocorre se você adicionar energia escura à mistura: matéria, radiação e energia escura poderiam todas compartilhar a densidade de energia do universo em proporções fixas, sem que uma tome o controle [1].
Por que isso acontece? Em última análise, a estase ocorre porque partículas mais pesadas nestas torres decaem em partículas mais leves, emitindo radiação no processo. Como descrito anteriormente, quando o universo se expande, a radiação se dilui mais rapidamente que a matéria. Mas nesta nova visão, a escassez de radiação é preenchida por nova radiação das torres de partículas em decaimento. Similarmente, todas essas partículas extras significam que a matéria não se dilui tão rapidamente em relação à energia escura, permitindo que o universo também tenha um equilíbrio.
“A ideia de que você poderia ‘pausar’ o universo é realmente interessante”, diz Erickcek. “Normalmente expansão [significa] evolução. Estase é um contraexemplo a isso: você ainda pode estar se expandindo e não mudar o equilíbrio energético do universo” [1].
Reescrevendo a Cosmologia: Implicações Profundas para Mistérios Não Resolvidos
Há muitas maneiras pelas quais a estase pode acontecer. Exatamente quando e como ela aparece depende de quais ideias além do modelo padrão da física de partículas você usa, pois isso determina quantas partículas estão nas torres, quais são as massas dessas partículas e suas taxas de decaimento para níveis mais baixos nas torres.
É até mesmo possível que estejamos entrando ou saindo de um período de estase agora, sugere Heurtier. Sabemos que a mistura de energia do universo mudou na história relativamente recente porque a energia escura atualmente domina, mas alguns bilhões de anos atrás o universo era composto principalmente de matéria. Simulações mostram que grandes flutuações como esta podem acontecer no início ou no final dos períodos de estase [1].
Se estivermos saindo de um período de estase, ou se a estase emergiu durante a época dominada pela matéria, isso pode ajudar a resolver um enigma cosmológico chamado tensão de Hubble. Esta é uma discrepância pequena mas significativa entre a velocidade com que medimos o universo se expandindo agora e a velocidade com que esperamos que ele esteja se expandindo. A expectativa é calculada tomando medições da radiação cósmica de fundo (CMB), um brilho residual emitido 380.000 anos após o Big Bang, e então avançando o relógio até hoje [1].
No entanto, esse cálculo depende de suposições sobre qual era o conteúdo energético do universo imediatamente antes, durante e após a produção da CMB. “Talvez esta extrapolação esteja errada porque os modelos tradicionais não levaram em conta períodos de estase durante os quais diferentes tipos de energia coexistem”, diz Heurtier [1].
Limitações Temporais e Janelas de Oportunidade
O que sabemos é que a estase não pode acontecer no período imediatamente antes da emissão da CMB. Astrofísicos fizeram medições muito precisas desta radiação, que se alinha perfeitamente com medições de radiação de um período ainda anterior, quando núcleos atômicos leves como o hélio foram criados pela primeira vez, chamado nucleossíntese do Big Bang. Toda a radiação é contabilizada dentro desta janela de tempo, mas a estase, por definição, requer a produção de nova radiação, seja de matéria em decaimento ou, em alguns modelos, de energia escura. Portanto, essas medições descartam épocas de estase entre 1 minuto e 380.000 anos após o Big Bang [1].
Isso significa que um período de estase é mais provável de ocorrer durante aquele primeiro minuto antes da nucleossíntese do Big Bang – uma pausa após o Big Bang, por assim dizer. “É quando estamos imaginando que essas coisas teriam ocorrido”, diz Dienes [1]. Embora isso soe como apenas o mais breve lampejo no tempo, este primeiro minuto foi excepcionalmente consequente.
Isso fica claro quando você pensa no passado na medida de tempo preferida dos cosmólogos: o “e-fold”. Esta forma de pensar nos permite falar sobre a idade do universo em termos de quão rapidamente ele se expande, com cada e-fold correspondendo ao volume do universo aumentando por um fator de aproximadamente 2,718 – significando que ele se expande exponencialmente de acordo com a constante matemática e. Toda a história do universo ocorreu ao longo de cerca de 120 e-folds, mas este primeiro minuto de existência corresponderia a cerca de 50 a 60 desses e-folds. Nesse sentido, este período representa cerca de metade da história do universo – quaisquer novas épocas de estase que surjam aqui podem alterar substancialmente a idade do universo em e-folds [1].
Uma Nova Perspectiva sobre Inflação e Reaquecimento
Ainda sabemos muito pouco sobre o que aconteceu antes da nucleossíntese do Big Bang, incluindo como a inflação e o reaquecimento ocorreram. “Realmente não temos dados sobre isso”, diz Dienes [1]. Em modelos padrão de inflação, a energia armazenada no campo inflaton inicia a expansão. Mas não está claro exatamente o que é este campo e por que, após uma fração minúscula de segundo, ele chega ao fim.
Para explicar isso, os físicos têm que fazer muitas suposições, adicionando características muito específicas ao campo misterioso. Além disso, a inflação tradicional automaticamente dilui tanto matéria quanto radiação, deixando o universo frio e vazio quando termina. Para contornar isso, temos que assumir que algum tipo de processo de reaquecimento ocorreu que povoou o cosmos com matéria e radiação novamente. Então, de alguma forma, este período faz a transição para a época dominada pela radiação da linha temporal tradicional.
Se tudo isso soa como uma racionalização bastante post-hoc, é porque é. Torres de partículas que necessariamente causam períodos de estase, no entanto, poderiam suavizar as coisas. Por exemplo, torres de partículas produzidas durante o reaquecimento povoariam o universo com matéria e radiação conforme elas decaem. Então, após toda a torre ter decaído, apenas radiação permaneceria. “A partir deste ponto em diante, nos juntaríamos novamente à linha temporal padrão”, diz Dienes [1].
Similarmente, torres de partículas em decaimento podem naturalmente levar a um universo que contém uma grande proporção de energia do vácuo. Isso aceleraria rapidamente a expansão do universo por um período sustentado de tempo. Em outras palavras, de acordo com o último artigo da equipe de junho de 2024, que ainda não foi revisado por pares, a inflação poderia na verdade ser um período de estase cósmica [1].
Ao contrário dos modelos convencionais de inflação, a estase explica como a inflação terminou sem ter que fazer suposições extras. Quando a torre de partículas decaiu, a inflação termina por si só. E nesse ponto, haveria muita radiação presente, então não há necessidade de reaquecimento.
Perspectivas Críticas e Desafios Teóricos
Explorar períodos de estase é válido, diz o teórico de cordas Joseph Conlon da Universidade de Oxford. No entanto, ele aponta que muitos desses modelos envolvem torres com partículas muito pesadas que decaem muito rapidamente para ter um impacto cosmológico. Por outro lado, se as partículas envolvidas fossem leves, elas produziriam grandes dimensões extras – e como essas ainda não foram detectadas, isso é um ponto contra a hipótese [1].
Apesar dessas preocupações teóricas, a comunidade científica está começando a reconhecer o potencial revolucionário desta abordagem. A capacidade de explicar múltiplos enigmas cosmológicos através de um único mecanismo físico é particularmente atraente. Como observa Brooks Thomas, assumindo que torres de partículas existem, “algum tipo de estase provavelmente será parte da natureza” [1].
Evidências Observacionais no Horizonte
Há várias maneiras pelas quais observações do futuro próximo poderiam encontrar evidências de estase cósmica em suas várias formas, uma das quais envolve ondas gravitacionais. Agora detectamos rotineiramente essas ondulações no espaço-tempo, tipicamente produzidas pela colisão de objetos massivos como buracos negros. E em 2023, um zumbido mais fraco chamado fundo de ondas gravitacionais foi detectado. Esta oscilação de nível mais baixo do espaço-tempo pode ter sido iniciada durante a inflação, entre outras possibilidades [1].
Na próxima década, telescópios espaciais como o Laser Interferometer Space Antenna (LISA) planejam mapear este fundo de zumbido em detalhes para decifrar sua origem. Dienes e sua equipe estão agora descobrindo como essas observações seriam afetadas por épocas de estase cósmica. Adicionar novos e-folds de tempo à época da inflação mudaria as previsões feitas pelos modelos existentes, diz Erickcek. Enquanto isso, outros períodos de estase deixariam uma impressão única no fundo de ondas gravitacionais, diz Huang [1].
Outra possibilidade é que períodos iniciais de estase cósmica alterariam como a matéria é estruturada em pequenas escalas porque a presença de radiação tende a impedir que a matéria se aglomere. Isso significa que grumos de matéria escura seriam menores do que aqueles previstos pela cosmologia padrão. Astrofísicos estão se tornando hábeis em detectar essas diferenças sutis observando como a matéria escura distorce a luz de estrelas atrás delas, um efeito chamado microlentes. Da mesma forma, arrays de temporização baseados em pulsares, objetos astronômicos que emitem rajadas brilhantes de radiação em intervalos bem definidos, podem detectar pequenas mudanças devido a puxões gravitacionais de grumos de matéria escura. “É difícil – mas há esperança”, diz Erickcek [1].
Desenvolvimentos Recentes e Validação Independente
Já outros estão começando a explorar o novo paradigma da estase cósmica. Em agosto de 2024, James Halverson e Sneh Pandya da Northeastern University em Massachusetts descobriram que a estase cósmica surge de torres de áxions em decaimento dentro de modelos da teoria das cordas conhecidos como axiverse [1]. Esta validação independente por pesquisadores não envolvidos no trabalho original fornece credibilidade adicional à teoria e demonstra sua robustez através de diferentes abordagens teóricas.
O trabalho de Halverson e Pandya é particularmente significativo porque conecta a estase cósmica com uma das candidatas mais promissoras para matéria escura – os áxions. Estas partículas hipotéticas, originalmente propostas para resolver problemas na cromodinâmica quântica, emergiram como explicações potenciais não apenas para a matéria escura, mas também para a energia escura e até mesmo a inflação. A descoberta de que torres de áxions naturalmente produzem estase cósmica em modelos de teoria das cordas sugere que este fenômeno pode ser mais fundamental do que inicialmente imaginado.
Implicações para a Compreensão da Matéria Escura
Uma das consequências mais intrigantes da teoria da estase cósmica é sua capacidade de fornecer uma explicação natural para a matéria escura. Tradicionalmente, a matéria escura tem sido um dos maiores mistérios da cosmologia moderna, representando aproximadamente 27% do conteúdo energético do universo, mas permanecendo completamente invisível aos nossos instrumentos de detecção direta.
As torres de partículas que produzem estase cósmica poderiam naturalmente incluir candidatos a matéria escura. Durante os períodos de estase, essas partículas de matéria escura seriam produzidas em abundância através dos processos de decaimento que mantêm o equilíbrio energético. Isso ofereceria uma origem cosmológica natural para a matéria escura, conectando sua existência diretamente aos mecanismos fundamentais que governam a evolução do universo.
Além disso, a estrutura modificada da matéria em pequenas escalas prevista pela teoria da estase cósmica poderia explicar algumas das discrepâncias observadas entre as previsões da cosmologia padrão e as observações astronômicas. Por exemplo, o problema dos satélites em falta – a observação de que galáxias como a Via Láctea têm menos galáxias satélites pequenas do que previsto pelos modelos padrão – poderia ser resolvido se a matéria escura fosse estruturada de forma diferente devido a períodos de estase no universo primitivo.
Perspectivas Futuras e Tecnologias Emergentes
O futuro da pesquisa em estase cósmica parece promissor, com várias tecnologias emergentes oferecendo oportunidades sem precedentes para testar essas ideias revolucionárias. O telescópio espacial LISA, programado para lançamento na próxima década, representa talvez a ferramenta mais poderosa para detectar evidências de estase cósmica através de observações de ondas gravitacionais.
As ondas gravitacionais oferecem uma janela única para o universo primitivo porque, ao contrário da radiação eletromagnética, elas podem viajar através do cosmos praticamente sem obstáculos desde os primeiros momentos após o Big Bang. Se períodos de estase cósmica realmente ocorreram durante a inflação ou imediatamente após, eles deixariam assinaturas características no fundo de ondas gravitacionais que LISA poderia detectar.
Além das ondas gravitacionais, os avanços na astronomia de precisão estão abrindo novas possibilidades para testar a teoria. Surveys de lentes gravitacionais cada vez mais sofisticados, como o Legacy Survey of Space and Time (LSST) do Observatório Vera C. Rubin, poderão mapear a distribuição de matéria escura com precisão sem precedentes. Se a estase cósmica realmente alterou a estrutura da matéria em pequenas escalas, essas observações deveriam revelar as diferenças.
Conclusão: Uma Nova Era na Cosmologia
A descoberta da possibilidade de estase cósmica representa potencialmente uma das mudanças de paradigma mais significativas na cosmologia desde a aceitação do Big Bang. Menos de um século atrás, o próprio Big Bang parecia contraintuitivo para a maioria dos cosmólogos, que favoreciam modelos de estado estacionário. Agora, a equipe que tropeçou na estase espera que outros pesquisadores abracem o inesperado mais uma vez e vejam que a quietude pode ser uma parte tão inata do universo quanto a mudança.
Esta teoria não apenas oferece soluções elegantes para múltiplos enigmas cosmológicos – desde a tensão de Hubble até a natureza da matéria escura – mas também fornece uma estrutura mais natural para compreender os primeiros momentos do universo. Ao eliminar a necessidade de suposições ad hoc sobre inflação e reaquecimento, a estase cósmica oferece uma narrativa mais coerente e fisicamente motivada para a evolução cósmica.
Talvez mais importante, a teoria da estase cósmica exemplifica como descobertas científicas revolucionárias frequentemente emergem de investigações aparentemente não relacionadas. O que começou como um estudo de torres de partículas hipotéticas evoluiu para uma reformulação potencial de nossa compreensão da história cósmica. Esta serendipidade científica lembra-nos que o universo ainda guarda muitos segredos, e que nossa compreensão atual, por mais sofisticada que seja, pode ser apenas o começo de uma história muito mais rica e complexa.
À medida que entramos em uma nova era de astronomia de precisão e detecção de ondas gravitacionais, os próximos anos podem muito bem determinar se a estase cósmica é uma curiosidade teórica fascinante ou uma característica fundamental da realidade cósmica. Se confirmada, esta descoberta não apenas reescreveria os livros de cosmologia, mas também abriria novos caminhos para compreender os mistérios mais profundos do universo – desde a natureza da matéria escura até o destino final do cosmos.
Como observa Thomas, assumindo que torres de partículas existem, “algum tipo de estase provavelmente será parte da natureza” [1]. Se ele estiver correto, então nossa jornada para compreender o universo está apenas começando, e os períodos de quietude cósmica podem ser tão fundamentais para a história do cosmos quanto os momentos mais dramáticos de mudança e transformação.
Referências
[1] Frankel, M. (2025). “How cosmic stasis may drastically rewrite the history of the universe.” New Scientist. Disponível em: https://www.newscientist.com/article/cosmic-stasis-universe-history/
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