Cosmic birefringence from a stiff axion field and its cosmological implications

A luz que viaja pelo vasto vazio do espaço não é meramente um feixe reto; ela carrega uma orientação oculta, uma polarização que aponta em uma direção específica. Imagine esta luz como uma onda vibrando em um único plano, como uma corda sendo sacudida para cima e para baixo. Por décadas, astrônomos têm estudado a luz mais antiga do universo, o fundo cósmico de micro-ondas, que é um brilho residual tênue do momento em que o universo se tornou transparente. Quando essa luz ancestral chega até nós, seu plano de polarização pode ser rotacionado por campos invisíveis que permeiam o cosmos. Esta rotação, conhecida como birefringência cósmica, atua como uma agulha de bússola cósmica que foi lentamente girada pela história do universo. Medições recentes de telescópios poderosos detectaram uma pequena, mas significativa torção nesta luz, sugerindo que algo invisível está interagindo com os fótons enquanto eles viajam por bilhões de anos. A questão que impulsiona a pesquisa atual é o que esse elemento invisível poderia ser. Seria uma forma de energia escura empurrando o universo para longe, ou talvez um tipo de matéria escura que se agrupa? Ou poderia ser algo inteiramente diferente, um vestígio de um tempo antes de o universo se estabelecer em seu ritmo atual?

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Torino e do Instituto Nacional de Física Nuclear da Itália propôs uma nova resposta para este enigma. Eles sugerem que a rotação observada da luz é causada por um tipo específico de campo invisível que se comporta de maneira diferente da matéria escura e da energia escura que costumamos discutir. Este campo é descrito como "rígido" (stiff), significando que exerce um tipo único de pressão que faz com que sua densidade de energia mude rapidamente conforme o universo se expande. No universo muito primitivo, este campo rígido teria dominado tudo, impulsionando uma fase de expansão rápida conhecida como cinetismo (kination), antes de desaparecer para se tornar um componente menor do cosmos hoje. Os pesquisadores calcularam que, se este campo existir, ele interagiria com a luz de uma forma que combina perfeitamente com o ângulo de rotação medido por experimentos recentes, especificamente os dados do satélite Planck e do Telescópio de Cosmologia de Atacama.

A beleza deste modelo reside em sua testabilidade e em sua capacidade de descartar outras possibilidades. Os pesquisadores descobriram que, para que este campo rígido explique a rotação observada da luz sem violar as leis da física como as conhecemos, sua interação com a luz deve cair dentro de uma faixa muito estreita. Se a interação fosse muito fraca, não rotacionaria a luz o suficiente para corresponder aos dados. Se fosse muito forte, teria interrompido a formação dos primeiros núcleos atômicos no universo primitivo, um processo conhecido como Nucleossíntese do Big Bang, que podemos observar hoje através da abundância de elementos como o hélio. Ao equilibrar essas restrições, a equipe identificou uma janela específica para a força desta interação, aproximadamente entre 8,9 e 50 vezes dez elevado à potência de menos treze inverso de gigaeletronvolts. Esta faixa estreita oferece um alvo claro para futuros experimentos em busca de partículas do tipo axion, que são partículas hipotéticas que poderiam compor este campo.

Além disso, este modelo faz uma previsão distinta que o separa de outras teorias. Enquanto algumas explicações sugerem que o efeito de rotação seria semelhante em diferentes épocas do universo, este modelo de campo rígido prevê que o ângulo de rotação para a luz emitida durante a época da reionização — quando as primeiras estrelas se acenderam — seria significamente menor do que a rotação vista na luz mais antiga. Se observações futuras confirmarem que o ângulo de rotação diminui nesses tempos mais precoces, isso favoreceria fortemente esta explicação de campo rígido sobre teorias envolvendo energia escura. Os pesquisadores também exploraram as consequências gravitacionais deste cenário. Eles descobriram que a transição da era do campo rígido inicial para a era padrão da radiação geraria ondulações no espaço-tempo, conhecidas como ondas gravitacionais. Dependendo da duração exata desta fase inicial, estas ondas poderiam ser detectáveis por observatórios futuros, fornecendo uma segunda forma independente de confirmar a teoria.

No entanto, o estudo também lança dúvidas sobre uma ideia popular em relação à detecção recente de um fundo de ondas gravitacionais por matrizes de temporização de pulsares (pulsar timing arrays). Alguns cientistas sugeriram que essas ondulações de baixa frequência poderiam ser causadas pelo mesmo tipo de física do universo primitivo que cria a rotação da luz. Os autores deste artigo testaram essa ideia e a consideraram improvável. Eles mostraram que, se as ondas gravitacionais fossem fortes o suficiente para explicar os dados de pulsares, a densidade de energia associada seria alta demais, violando os limites sobre o número de espécies de neutrinos no universo. Em outras palavras, o universo não pode acomodar tanto a rotação de luz observada quanto o sinal de ondas gravitacionais de pulsares se ambos forem causados por este tipo específico de domínio de campo rígido inicial. Isso efetivamente descarta uma explicação unificada para ambos os fenômenos sob este modelo específico.

O trabalho conclui pintando um quadro de um universo que passou por um breve e intenso período de domínio de campo rígido antes de se estabelecer nas eras da radiação e da matéria que conhecemos. Esta época fugaz deixou para trás uma impressão digital sutil na polarização da luz ancestral e, potencialmente, um zumbido tênue de ondas gravitacionais. Os pesquisadores não provaram que este campo rígido existe, mas mapearam exatamente onde procurá-lo. Eles definiram a força precisa de sua interação com a luz e previram como sua assinatura deve mudar através de diferentes épocas cósmicas. À medida que novos telescópios entram em operação e as buscas astrofísicas por partículas do tipo axion continuam, esta estreita janela de possibilidade será testada. Se a força da interação cair dentro da faixa prevista e o ângulo de rotação se comportar como esperado, isso revelará um novo capítulo na história do cosmos, um onde um campo invisível e rígido uma vez governou o universo antes de desaparecer no pano de fundo do setor escuro.