A origem do nosso Universo continua a ser um dos maiores enigmas da ciência, uma questão que parece desafiar os limites da nossa compreensão física. Durante décadas, os cosmólogos esbarraram na impossibilidade de descrever matematicamente as condições extremas que precederam o Big Bang, onde as leis da física tal como as conhecemos entram em colapso.
Uma equipa de investigadores britânicos propõe hoje uma abordagem inovadora para explorar estes territórios desconhecidos. Os seus trabalhos, publicados na
Living Reviews in Relativity, sugerem a utilização de simulações numéricas avançadas para resolver as equações de Einstein em ambientes onde a gravidade se torna tão intensa que ultrapassa as nossas capacidades de cálculo tradicionais. Este método, chamado relatividade numérica, permite estudar cenários cosmológicos que estavam até agora fora de alcance.
A análise divide-se em duas partes: a fase pré-Big Bang, que cobre o período até ao final da inflação neste diagrama. A fase pós-Big Bang cobre a dinâmica não perturbativa do final da inflação até à emissão da RCF. A fase tardia do Universo corresponde ao resto do diagrama, que contém a história cosmológica padrão. A relatividade numérica não é uma ideia nova: emergiu na década de 1960 para estudar colisões de buracos negros e ondas gravitacionais. No entanto, a sua aplicação à cosmologia representa um passo em frente significativo. Ao abandonar a hipótese simplificadora de um Universo homogéneo e isotrópico, os investigadores podem modelar condições iniciais variadas e testar teorias como a inflação cósmica ou os universos cíclicos.
Entre as aplicações promissoras, citemos a pesquisa de cordas cósmicas, estruturas hipotéticas que poderiam deixar assinaturas detectáveis no fundo cósmico de micro-ondas. Da mesma forma, esta abordagem poderia revelar vestígios de colisões entre o nosso Universo e outros, trazendo provas tangíveis para a teoria dos multiversos. As simulações requerem uma potência de cálculo colossal, mas os progressos tecnológicos tornam estas explorações cada vez mais realizáveis.
As implicações destes trabalhos são profundas. Não só poderiam esclarecer os momentos que se seguiram ao Big Bang, mas também poderiam informar-nos sobre o que pode ter existido antes. A ideia de um Universo cíclico, alternando expansões e contrações, torna-se assim acessível à análise numérica. Esta metodologia abre caminho a uma colaboração frutuosa entre cosmólogos e especialistas em relatividade numérica.
Os métodos computacionais poderiam desvendar mistérios cósmicos.
Crédito: Gabriel Fitzpatrick para FQxI, FQxI (2025)
Esta abordagem representa uma mudança de paradigma na nossa busca pelas origens cósmicas. Ao combinar a potência dos supercomputadores com as equações da relatividade geral, os cientistas esperam desvendar alguns dos segredos mais bem guardados do Universo, transformando questões filosóficas em problemas físicos resolúveis por simulação.
A relatividade numérica: quando os computadores exploram o Universo
A relatividade numérica é uma disciplina na interface entre a física teórica e a informática. Consiste em resolver as equações da relatividade geral de Einstein utilizando métodos numéricos em vez de analíticos. Estas equações descrevem como a matéria e a energia curvam o espaço-tempo, criando o que percebemos como gravidade.
Ao contrário das soluções exatas que necessitam de simplificações muitas vezes irreais, os métodos numéricos permitem abordar situações físicas extremas. Eles dividem o problema em pequenos elementos calculáveis individualmente, depois recompondo o quadro geral. Esta abordagem é particularmente útil para estudar as singularidades, esses pontos onde as quantidades físicas se tornam infinitas.
O desenvolvimento desta disciplina foi motivado por problemas concretos como a previsão de ondas gravitacionais emitidas durante colisões de objetos compactos. Hoje, encontra aplicações em cosmologia para simular a evolução do Universo com condições iniciais variadas. Os progressos recentes em potência de cálculo abrem perspetivas ainda mais ambiciosas.
Os desafios técnicos permanecem importantes, nomeadamente a gestão de instabilidades numéricas e a necessidade de validar os resultados por métodos independentes. Apesar destas dificuldades, a relatividade numérica impõe-se como uma ferramenta indispensável para explorar as fronteiras do nosso conhecimento cosmológico.
A inflação cósmica: o sopro do Universo
A inflação cósmica é uma teoria maior em cosmologia que postula uma expansão exponencial do Universo nos primeiros instantes após o Big Bang. Numa fração de segundo ínfima, o Universo ter-se-ia dilatado de um fator considerável, homogeneizando a sua estrutura e dando origem às grandes estruturas que observamos hoje.
Esta fase de expansão ultrarrápida resolve vários problemas cosmológicos, como a homogeneidade em grande escala do fundo cósmico de micro-ondas. Explica também porque é que o Universo aparece plano em grande escala e porque é que não observamos monopolos magnéticos, partículas previstas por algumas teorias mas nunca detetadas.
O mecanismo preciso da inflação permanece no entanto mal compreendido. Os físicos consideram que ela poderia ser desencadeada por um campo escalar, uma espécie de energia presente no vácuo quântico. A transição entre a fase inflacionária e a expansão padrão do Universo constitui outro tema de pesquisa ativa.
As observações do fundo cósmico de micro-ondas, nomeadamente pelas missões Planck e WMAP, trouxeram provas indiretas da inflação. No entanto, a deteção direta de ondas gravitacionais primordiais, considerada como uma assinatura direta da inflação, permanece um objetivo não alcançado que motiva numerosos projetos observacionais.
Fonte: Living Reviews in Relativity