Teorias sobre o Fim do Universo

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A busca por vestígios de um universo anterior
Atualização. Este artigo é tirado do mês de Ciência e Futuro - La Recherche No. 909, datado de
novembro de 2022. Originalmente afirmamos no primeiro parágrafo do artigo "um cenário que é
privilegiado hoje pela maioria dos astrofísicos e pode acontecer em 10100 anos", em vez de "10 a 100
anos". Obrigado aos leitores que apontaram esse erro para agora ser corrigido.
Num futuro extremamente distante, o Universo terá expandido e esfriado que já não será capaz de
formar galáxias ou novas estrelas. Ele então experimentou uma lenta agonia marcada pelo
deslocamento das superestruturas e pela decrepitude das últimas estrelas, engolidas em buracos negros
gigantescos. Agora, enquanto o cosmos continuará a se espalhar para sempre, despertando cada vez
mais isolamento, vazio e escuridão, sua temperatura tenderá inexoravelmente para o zero absoluto
(-273,15 graus Celsius), o mais baixo possível. Esta será a "morte térmica" do Universo. Um cenário que
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agora é preferido pela maioria dos astrofísicos e pode ocorrer em 10 100 anos. Então, o fim de tudo,
congelado em silêncio e eterno "noisse"?
Vencedor do Prêmio Nobel de Física de 2020, Roger Penrose, defende uma hipótese completamente
diferente há uma década. Assume, por mais provocativo que seja paradoxal, que o cosmos voltará à sua
situação original em um futuro muito distante: um estado extremamente condensado e quente, que
então gerará um novo ciclo de formação estelar. Da mesma forma, os próprios primórdios do Universo
resultariam de uma evolução anterior... e, portanto, de um forte-Big Bang.
Roger Penrose, um brilhante Prêmio Nobel de contribuições ecléticas
Nascido em 1931 em Colchester, Reino Unido, atualmente professor emérito na Universidade de Oxford,
Sir Roger Penrose (ele foi enobrecido em 1994 pela rainha Elizabeth II) seguiu uma carreira tão frutífera
quanto diversificada. Depois de um doutorado no campo da geometria algébrica, ele se tornou
apaixonado pela cosmologia na década de 1960. E faz grandes contribuições para a teoria da
relatividade geral e física dos buracos negros (recompensada meio século depois por um Prêmio Nobel),
antes de se concentrar nas teorias quânticas da gravitação. Por cerca de 30 anos, vem desenvolvendo
uma série de reflexões ligando as leis da física à consciência humana.
Roger Penrose está até convencido de que identificou evidências: fenômenos astrofísicos que poderiam
de alguma forma passar pelo Big Bang, passando assim de um universo para outro, aliás detectado por
vários telescópios. “Ninguém é consenso. E essas concepções permanecem muito em minoria, lembra
Jean-Pierre Luminet, diretor de pesquisa do Laboratório de Astrofísica de Marselha (Lam). No entanto,
eles permanecem extremamente atraentes, tanto por sua criatividade quanto pelas novas luzes físicas e
filosóficas que poderiam transmitir para nós. A ideia de uma cosmologia cíclica certamente não é nova
(ver caixa abaixo). Existem até várias centenas de modelos: muito variados em suas suposições e todos
especulativos, mas compartilhando a ideia de que o Universo teria sabido por assim dizer várias "vidas".
Como a maioria dos seguidores dessa hipótese, Roger Penrose não está satisfeito com uma
singularidade primordial, onde as equações da relatividade geral divergem e onde as densidades de
energia literalmente tendem ao infinito. Ele também rejeita a teoria da inflação, a fase de inchaço
exponencial que o Universo teria experimentado uma fração de segundo após o Big Bang. Para o
cientista britânico, "uma das mentes mais poderosas e originais que já conheci", diz Jean-Pierre
Luminet, essa teoria é arbitrária demais. E de forma alguma resolveria o enigma do estado inicial do
Universo, o nível de organização que reinava lá em particular.
https://www.sciencesetavenir.fr/espace/univers/un-debut-de-l-univers-qui-fait-debat_167164
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Selon la théorie de la cosmologie conforme cyclique émise
par Roger Penrose, l\'Univers connaîtrait une succession
potentiellement infinie de périodes appelées « éons ». Crédit :
R. PENROSE
De acordo com a teoria da cosmologia conformal cíclica emitida por Roger Penrose, o Universo
experimentaria uma sucessão potencialmente infinita de períodos chamados "eons". Créditos da
imagem: Roger Penrose
Mas, ao contrário de outras cosmologias oscilatórias, o de Roger Penrose não descreve uma alternância
de fases de expansão e contração do cosmos, passando todas as vezes através de "gargalos". Em vez
disso, pressupõe que o Universo passaria apenas por fases de expansão. E que seus estágios finais de
evolução – ser quase-termo – inevitavelmente os traria de volta a estados extraordinariamente densos e
quentes, tão novos Big Bangs. Como seria possível isso? Roger Penrose explora um certo tipo de
operação matemática chamada "transversões em conformidade". “Eles modificam as distâncias – e,
portanto, o tamanho dos objetos – mas mantêm os ângulos”, explica François Béguin, da Análise
Laboratorial, Geometria e Aplicações (Laga) da Universidade Sorbonne Paris Nord. É através de tais
transformações, por exemplo, que o globo terrestre é representado em mapas de navegação marítima:
as distâncias são contraídas ou expandidas nas proximidades de cada ponto, mas as direções
permanecem as mesmas. Mas, combinando tais operações com as equações da relatividade geral, os
britânicos estabelecem uma equivalência entre um estágio infinito de expansão do Universo e um estado
primordial infinitamente contraído. A métrica espaço-temporal, portanto, se estende de uma borda do
universo para outra. E estes conectam dois a dois sem passar por uma singularidade, maravilha
François Béguin. É certamente uma visão puramente matemática da realidade, mas todas as teorias
físicas podem ser consideradas como tal.
A hipótese do retorno eterno
Foi em 1922, há apenas um século, que a hipótese de uma cosmologia cíclica foi pela primeira vez
formalizada. Tomando as equações de Albert Einstein da relatividade geral, o russo Alexander
Friedmann descobriu soluções que o físico não tinha imaginado. Isso de um universo em expansão, em
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particular. Mas Alexander Friedmann também percebe (na suposição de que o Universo está fechado e
de acordo com a quantidade de matéria que contém) que essa dinâmica poderia parar depois de um
certo tempo. E até mesmo reverter, sob o efeito da atração gravitacional, até que ela retorne ao estado
original."Ordenar pouco como uma bola impulsionada para o céu,Yann Mambrini do Laboratório de
Física dos 2 Infinitos Irene-Joliot-Curie (IJCLab) da Universidade de Paris-Saclay- A . (í a , , , , , í , .
Dependendo da energia inicial, ela pode ser paralisado, ou atingir um quase-equilíbrio, ou ainda cair
para trás.A possibilidade de uma sequência implacável de fases de expansão e contração do Universo
foi explorada em 1931 pelo americano Richard Tolman.Ele é o primeiro a imaginar um número infinito de
ciclos,aponta Yann Mambrini, como uma bola que se recuperaria sem parar.Uma solução que o cânone
belga e o astrônomo Georges Lemaetre descreve em 1933 como um universo de fênix, como o pássaro
mítico renascendo periodicamente de suas cinzas. Mas essa perspectiva gera um monte de
interrogatórios, comparado com o segundo princípio da termodinâmica em particular, segundo o qual a
entropia (ou a quantidade de desordem) só pode aumentar. Para respeitar essa lei fundamental, observa
Richard Tolman, o raio do Universo e a duração de cada ciclo também devem crescer ao longo do
tempo. Como uma bola, para continuar a nossa analogia, que sempre se recuperaria cada vez mais...
mas a partir de que situação e até quando?Desde a década de 1930 e até hoje, a entropia coloca
grandes desafios para os modelos do universo cíclico."", diz Killian Martineau do Laboratório de Física
Subatômica e Cosmologia (LPSC) da Universidade de Grenoble. Sem mencionar os problemas
associados à descrição física de cada rebote... ou a propósito, como sabemos desde 1998, que a
expansão do Universo está acelerando sob o efeito de umamisteriosa energia escura. Para resolvê-los,
o cosmólogo americano Paul Steinhardt desenvolveu uma panóplia de modelos, cuja última versão foi
lançada em janeiro.“Isso requer que a atual aceleração da expansão venha de um campo de energia
dinâmico, evoluindo ao longo do tempo, que seria transformado para desencadear uma contração.Des
hypothèses qui, mises bout à bout, restent encore très spéculatives ", estime Killian Martineau.
Dans les cosmologies cycliques, dites aussi à rebond,
l\'Univers se dilate et se contracte en une perpétuelle
alternance, en passant à chaque fois par un goulet
d\'étranglement.
Dans les cosmologies cycliques, dites aussi à rebond, l'Univers se dilate et se contracte en une
perpétuelle alternance, en passant à chaque fois par un goulet d'étranglement. Crédits : Bruno Bourgeois
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Des particules sans masse, une condition indispensable
Pour que cette "cosmologie cyclique conforme" - retenez l'acronyme CCC - ait un sens physique et
fonctionne, une condition doit néanmoins être respectée : toutes les particules doivent avoir une masse
nulle, à l'instar des photons, au début et à la fin de chaque univers - Roger Penrose parle d'"éon", se
référant à la divinité grecque de l'éternité. Sans quoi la symétrie conforme est perdue. Pour le stade
initial, en deçà de 10-32 seconde, la théorie ne rencontre pas de grande difficulté. Car le fameux boson
de Higgs n'aurait pas encore conféré leur masse aux différentes particules (protons, électrons, etc.). Et
les températures étaient de toute façon si élevées que l'énergie cinétique des particules - et non celle liée
à leur masse - avait largement le dessus. C'est plus problématique à l'autre bout du temps. Rien
n'atteste, en effet, qu'un univers extrêmement âgé ne contienne que des particules sans masse. Roger
Penrose s'appuie néanmoins sur plusieurs phénomènes plausibles. Telle la désintégration des protons,
jamais observée en laboratoire mais qui pourrait se produire dans 1.029 années. Ou l'évaporation
quantique des trous noirs, qui, au bout de 10100 années, libéreraient toute l'énergie qu'ils renferment
sous forme de photons. Or, la notion d'espace-temps perdrait toute pertinence dans un univers dénué de
particules massives. "Tout se passerait comme si sa géométrie ne se souvenait plus des distances
comme du temps qui s'écoule ", constate Jean-Pierre Luminet. Seule subsisterait sa structure conforme,
suscitant une sorte d'écrasement et faisant correspondre la fin au début.
Mais les spéculations du génial mathématicien ne s'arrêtent pas là. Car selon ses calculs, les derniers
événements de l'éon antérieur devraient laisser des traces dans notre propre univers ! En 2010, avec le
cosmologiste arménien Vahe Gurzadyan, il prédit ainsi que le fond diffus cosmologique, soit la première
lueur du cosmos émise 380.000 ans après le Big Bang et qui baigne encore tout l'espace, garderait de
telles cicatrices. Elles résulteraient des ultimes trous noirs de l'éon précédent, qui, après s'être attirés et
avoir fusionné, auraient généré des trains d'ondes gravitationnelles. Or, ces oscillations de la trame de
l'espace-temps auraient laissé une empreinte dans le fond diffus cosmologique, sous forme de petits
excès d'énergie dessinant des cercles concentriques. Pour les deux chercheurs, les relevés de
l'observatoire de la Nasa WMAP contiennent de telles structures. Tout comme les mesures du télescope
européen Planck, plus précises, soutiennent-ils en 2016. Mais leurs arguments ne convainquent pas. Les
spécialistes du fond diffus cosmologique font en effet remarquer que "dans des cartes aussi complexes,
on peut trouver tous les motifs imaginables sans que cela signifie quoi que ce soit, rappelle Jean-Pierre
Luminet . Une équipe canadienne s'est même amusée à chercher des triangles équilatéraux
concentriques… et les a trouvés. "
À la recherche de nouvelles signatures
Nullement découragés, Roger Penrose et ses collaborateurs ont cherché d'autres signatures. Parmi
elles, les rayonnements émis lors de l'évaporation des ultimes trous noirs de l'éon précédent. Ils
laisseraient, eux aussi, une trace dans le fond diffus cosmologique, créant des sortes de spots plus
lumineux baptisés "points de Hawking". Là encore, les relevés des satellites Planck et WMAP en
témoigneraient, annoncent les prosélytes. D'abord en 2018, puis de manière plus détaillée en 2020. "Nos
conclusions reposent sur les jeux de données totalement différents de ces deux télescopes, et pourtant
elles coïncident ", nous a ainsi réaffirmé Vahe Gurzadyan. Pour les cercles concentriques comme les
points de Hawking.
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En juin, des physiciens américains dirigés par Eve Bodnia de l'université de Californie, à Santa Barbara,
se sont penchés sur ces nouveaux résultats. Et les ont dans un premier temps reproduits. Mais les
chercheurs ont également découvert que les cartes du fond diffus cosmologique comportaient des pixels
plus brillants que les autres : "Ce sont des sortes d'anomalies qui pourraient provenir d'amas d'étoiles ou
encore de problèmes de mesure ", précise Eve Bodnia. Or, sans ces artefacts, les cercles concentriques
n'apparaissent plus ! À l'aide d'un algorithme d'apprentissage automatique et d'un supercalculateur,
l'équipe américaine a par ailleurs analysé 50 millions de motifs dans les cartes du satellite Planck.
Résultat : l'existence des points de Hawking ne peut être statistiquement démontrée.
"Si nos travaux n'invalident pas la cosmologie cyclique conforme de Roger Penrose - que je trouve
personnellement fascinante -, ils montrent que cette théorie n'est pas étayée par les données actuelles
du fond diffus cosmologique ", signale Eve Bodnia. Pour poursuivre les investigations, ajoute la
physicienne, il faudrait soit des mesures plus précises du fond diffus cosmologique, soit d'autres
prédictions théoriques -sur la distribution ou la formation des galaxies par exemple. "Nous envisageons
actuellement d'autres signatures possibles de la CCC ", nous annonce du reste, et sans autre forme de
précision, Vahe Gurzadyan. Mais même si ces travaux sont voués à l'échec, "ils poussent les partisans
de la cosmologie standard à renforcer leurs arguments ", relève Jean-Pierre Luminet. Et illustrent
l'importance de penser parfois hors du cadre pour faire de nouvelles découvertes. "Car il en va des
théories comme de la pêche, conclut l'astrophysicien . Seul celui qui lance risque d'attraper quelque
chose. "