A ANALOGIA DE EXOPLANETAS PARA O MULTIVERSO

Osame Kinouchi

Seminários FAMB

11/novembro/2015

TRÊS MOTIVOS PARA SE PENSAR UM MULTIVERSO:1. TEORIA DE INFLAÇÃO

TRÊS MOTIVOS PARA SE PENSAR UM MULTIVERSO:2. RELEVO DE SOLUÇÕES EM SUPERCORDAS ~ 10500 TIPOS DE UNIVERSOS

TRÊS MOTIVOS PARA SE PENSAR UM MULTIVERSO:3. PROBLEMAS DE AJUSTE FINO

Constante cosmológica Λ O(10-120)

Parâmetros de inflação

G, α, mn/mp, mp/me

Outros parâmetros do modelo-padrão

Etc.

Life at the interface of particle physics andstring theory

A. N. Schellekens

Rev. Mod. Phys. 85, 1491

2 October 2013

TRABALHOS TEÓRICOS SOBRE O MULTIVERSO

SUGESTÕES DE LEITURA

DOCUMENTÁRIOS YOUTUBE

Além do Cosmos: O Multiverso (Dublado) Documentário NationalGeographic

TED - Brian Greene - O Multiverso e a Teoria de Cordas

Teoria das Super Cordas - BBC -Multiverso - Universos Paralelos

NOVA - O Tecido do Cosmos - O que é o Espaço ?

SUGESTÕES BIBLIOGRÁFICAS

Bousso R., The Cosmological Constant Problem, Dark Energy, and the Landscape of String Theory, in Proceedings of Subnuclear Physics: Past, Present and Future, (Pontificial Academy of Sciences, Vatican, 2011).

Guth A. H., Kaiser D. I., Nomura Y., Inflationary paradigm after Planck 2013, Phys. Lett. B 733: 112-119 (2014).

Schellekens A. N., Life at the interface of particle physics and string theory, Rev. Mod. Phys. 85, 1491 (2013).

Weinberg S., Living in the Multiverse, in Universe or Multiverse?, ed. B. Carr(Cambridge University Press, Cambridge, 2009).

Wilczek F., Multiversality, Class. Quantum Grav. 30: 193001 (2013).

BIBLIOGRAFIA DESTE COLÓQUIO

The exoplanets analogy to the Multiverse arXiv:1506.08060

Osame Kinouchi

(Submitted on 16 Jun 2015)

The idea of a Mutiverse is controversial, although it is a natural possible solution to particle physicsand cosmological fine-tuning problems (FTPs). Here I explore the analogy between the Multiverseproposal and the proposal that there exist an infinite number of stellar systems with planets in aflat Universe, the Multiplanetverse. Although the measure problem is present in this scenario, theidea of a Multiplanetverse has predictive power, even in the absence of direct evidence forexoplanets that appeared since the 90s. We argue that the fine-tuning of Earth to life (and notonly the fine-tuning of life to Earth) could predict with certainty the existence of exoplanetsdecades or even centuries before that direct evidence. Several other predictions can be made bystudying only the Earth and the Sun, without any information about stars. The analogy also showsthat theories that defend that the Earth is the unique existing planet and that, at the same time, isfine-tuned to life by pure chance (or pure physical necessity from a parameter free Theory ofEverything) are misguided, and alike opinions about our Universe are similarly delusional.

CRÍTICAS À IDEIA DE MULTIVERSO

Outros universos não são observáveis(Multiverso = Metafísica)

Tudo o que pode ocorrer ocorre: aideia não é preditiva

Problema da medida: até agora nãose definiu uma distribuição deprobabilidades no espaço deparâmetros do Multiverso

Desestimula a busca de explicaçõesfísicas para o ajuste fino

Desestimula a busca de TOE (Theory ofEverything) sem parâmetros livres

POSSÍVEIS RESPOSTAS

Teste experimental: Colisões entreuniversos pode deixar cicatrizes naradiação cósmica de fundo.

Inflação está ganhando fortesuporte empírico e a teoria predizum multiverso.

Problema da medida está sendoativamente estudado.

Teoria de supercordas prediz umMultiverso.

Uma TOE sem parâmetros livresnão parece ser viável.

INFLAÇÃO PREDIZ EFEITO DE ONDAS GRAVITACIONAIS NA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO

CHOQUE ENTRE UNIVERSOS NO INÍCIO DO BIG BANG PODE PRODUZIR ANOMALIAS NA RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO

FLUXO DE BARIONS ENTRE UNIVERSOS NO BIG BANG

New Scientist, 28/outubro/2015

Mystery bright spots could be first glimpse of another universe

Light given off by hydrogen shortly after the big bang has left some

unexplained bright patches in space. Are they evidence of bumping into

another universe?

A ANALOGIA DE EXOPLANETAS PARA O MULTIVERSO

Existem parâmetros astronômicos puramente acidentais que não podem ser previstos pelas leis da Física

Exemplos: raio R da órbita da Terra, excentricidade ε da órbita, massa MS do Sol, massa MT da Terra, raio RT da Terra, volume de água A, etc.

Todos esses parâmetros constituem um ajuste fino que permite a vida na Terra

Querer que uma teoria determine esses parâmetros é uma ilusão (sonho de Kepler)

A SOLUÇÃO NATURAL É POSTULAR A EXISTÊNCIA DE INÚMEROS EXOPLANETAS (MULTIPLANETAVERSO)

Essa solução era razoável mesmo quando se pensava que exoplanetas seriam indetectáveis (= metafísica)

Experimento de pensamento: o que se pode saber sobre o mundo estando trancado dentro de um quarto fechado?

O que podemos saber sobre os exoplanetas sem olhar para as estrelas?

ANALOGIA: EXOPLANETA = UNIVERSO

Problema do ajuste fino da Terra.

PT = (R, ε, MS, MT, RT, A, etc.)

PT está dentro da região Uh de parâmetros de planetas habitáveis

O volume U total de parâmetros para planetas é muito grande: Uh << U .

Problema do ajuste fino do Universo:

PU = (Λ, G, α, mn/mp, etc.)

PU está dentro da região Uh de parâmetros de universos habitáveis

O volume U total de parâmetros para universos é muito grande: Uh << U .

POSSÍVEIS SOLUÇÕES PARA O AJUSTE FINO DA TERRA

1. Existe um criador que fez o ajuste fino dos parâmetros da Terra (exoplanetas não necessários)

2. O ajuste fino ocorreu por puro acaso.

3. O ajuste fino ocorre por causa física bem determinada (TOE planetária).

4. Existem inúmeros exoplanetas(Multiplanetaverso) e dentre eles uns poucos caem na região de parâmetros Uh. A Terra é um desses planetas.

POSSÍVEIS SOLUÇÕES PARA O AJUSTE FINO DO UNIVERSO

1. Existe um criador que fez o ajuste fino dos parâmetros do universo (outros universos não necessários)

2. O ajuste fino do Universo ocorreu por puro acaso.

3. O ajuste fino do Universo ocorre por causa física bem determinada (TOE sem parâmetros livres).

4. Existem inúmeros Universos (Multiverso) e dentre eles uns poucos caem na região de parâmetros com ajuste fino. Nosso Universo é um deles.

O QUE PODEMOS SABER SOBRE OS EXOPLANETASOLHANDO APENAS PARA A TERRA (E O SOL)?

Teorema de Bayes:

𝑃 𝑥 𝑃𝑇 =𝑃 𝑃𝑇 𝑥 𝑃(𝑥)

𝑃(𝑃𝑇)

x = parâmetro planetário

PT = (R, ε, MS, MT, RT, A)

EXEMPLO TRIVIAL: O AJUSTE FINO DE PT SUGERE QUE DEVEM EXISTIR MUITOS EXOPLANETAS

N = número de exoplanetas na galáxia

𝑃 𝑁 𝑃𝑇 =𝑃(𝑃

𝑇|𝑁) 𝑃(𝑁)

𝑃(𝑃𝑇)

Devido ao ajuste fino, P(PT|N) é de ordem O(1) apenas quando N >>1. Mesmo com uma função pessimista decrescente P(N) = exp(-cN) , temos P(N|PT) grande apenas para N >>1.

Provavelmente, P(N) deve ser gaussiana com média N0 grande:

𝑃 𝑁 = ∝ 𝑒− 𝑁−𝑁02/𝜎2

TAMANHOS E MASSAS

EXEMPLO 1: NÚMERO DE PLANETAS ROCHOSOS NO SISTEMA SOLAR

n = # planetas rochosos

P(n) = função decrescente com n

P(PT|n) = função crescente com n

P(PT) = probabilidade a priori de obter planeta com PT = constante

Procurar n que maximiza:

𝑃 𝑛 𝑃𝑇 =𝑃 𝑃𝑇 𝑛 𝑃(𝑛)

𝑃(𝑃𝑇)

Solução: n > 1, existem outros planetas rochosos no sistema solar

OUTRAS POSSIBILIDADES DE HABITABILIDADE:ESTRELAS VERMELHAS E EXOLUAS

EXEMPLO 2: PORQUE O SOL É UMA ESTRELA G (AMARELA)?

𝑃 𝐴 𝑃𝑇 =𝑃 𝑃𝑇 𝐴 𝑃(𝐴)

𝑃(𝑃𝑇)

𝑃 𝑉 𝑃𝑇 =𝑃 𝑃𝑇 𝑉 𝑃(𝑉)

𝑃(𝑃𝑇)

Mas P(A) = 1/10 P(V)

Assumindo tipicalidade devemos ter P(PT|A) > 10 P(PT|V)

Razão: Ventos solares destroem atmosferas em planetas na zona habitável de estrelas M (vermelhas) (Cohen et al., 2014)

PORQUE NÃO VIVEMOS EM UMA LUA DE PLANETA GIGANTE?

𝑃 𝐿 𝑃𝑇 =𝑃 𝑃𝑇 𝐿 𝑃(𝐿)

𝑃(𝑃𝑇)

𝑃 𝑇 𝑃𝑇 =𝑃 𝑃𝑇 𝑇 𝑃(𝑇)

𝑃(𝑃𝑇)

O fato de habitarmos um planeta em vez de luas (muito mais numerosas) sugere que deve existir algum motivo para que P(T|PT) > P(L|PT)

Razão: fluxo de energia e estabilidade orbital (Heller, 2012)

OUTRAS PREDIÇÕES PODEM SER FEITAS SEM OLHAR PARA AS ESTRELAS!

Para que P(PT|x) seja maximizado devemos ter:

• Muitas estrelas como o Sol

• Muitos exoplanetas dentro de zona habitável

•Muitos exoplanetas com pouca excentricidade orbital

• Muitos exoplanetas com raio similar à Terra

• Muitos exoplanetas com massa similar à Terra

• Água abundante nos exoplanetas

O que torna a Terra rara não são essesfatores individuais, mas a probabilidadeconjunta P(R, ε, MS, MT, RT, A, etc.) = PT

Exemplo: se cada probabilidade para afaixa antrópica desses parâmetros fosse P(x)= 1/10 (pequeno ajuste fino), o ajuste finototal seria PT = 10-6

CONCLUSÃO: O AJUSTE FINO É INFORMATIVO!

O ajuste fino da Terra para a Vida (enão apenas o ajuste evolucionário daVida para a Terra) fornece informaçãosobre a existência e natureza de muitosoutros planetas.

Se a analogia de Steven Weinberg forválida, o ajuste fino do Universo para aVida deverá fornecer informação sobreoutros universos (Multiverso): no mínimo,que eles devem existir e devem terparâmetros físicos muito variados.

Isto independe da Teoria de Inflação eda Teoria de Supercordas

Resta pensar que tipo de variação nosparâmetros dos universos é possível, equal a densidade de probabilidadedesses parâmetros (problema damedida).

É bem possível que, antes disso,observações na radiação cósmica defundo forneçam evidências mais fortesde Inflação e do Multiverso.

A scientific truth does nottriumph by convincing itsopponents and making themsee the light, but ratherbecause its opponentseventually die and a newgeneration grows up that isfamiliar with it. Max Planck.

Science advances one funeralat a time. Parafrase.