À medida que o universo evolui, os cientistas esperam que grandes estruturas cósmicas cresçam a um determinado ritmo: regiões densas, como aglomerados de galáxias, tornar-se-iam mais densas, enquanto o vazio do espaço ficaria mais vazio.
Mas investigadores da Universidade de Michigan descobriram que a taxa de crescimento destas grandes estruturas é mais lenta do que o previsto pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein.
Mostraram também que, à medida que a energia escura acelera a expansão global do Universo, a supressão do crescimento da estrutura cósmica que os investigadores veem nos seus dados é ainda mais proeminente do que o que a teoria prevê. Seus resultados são publicados na Physical Review Letters.
As galáxias estão espalhadas por todo o nosso universo como uma gigante teia de aranha cósmica. A sua distribuição não é aleatória. Em vez disso, eles tendem a se agrupar. Na verdade, toda a teia cósmica começou como pequenos aglomerados de matéria no universo primitivo, que gradualmente se transformaram em galáxias individuais e, eventualmente, em aglomerados e filamentos de galáxias.
“Ao longo do tempo cósmico, um aglomerado inicialmente pequeno de massa atrai e acumula cada vez mais matéria da sua região local através da interação gravitacional. À medida que a região se torna cada vez mais densa, eventualmente colapsa sob a sua própria gravidade,” disse Minh Nguyen, autor principal. do estudo e pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Física da UM.
“Então, à medida que desmoronam, os aglomerados ficam mais densos. É isso que queremos dizer com crescimento. É como um tear de tecido onde colapsos unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais parecem uma folha, um filamento e um nó. A realidade é um mistura dos três casos, e você tem galáxias vivendo ao longo dos filamentos, enquanto aglomerados de galáxias – grupos de milhares de galáxias, os objetos mais massivos do nosso universo limitados pela gravidade – ficam nos nós.”
O universo não é feito apenas de matéria. Provavelmente também contém um componente misterioso chamado energia escura. A energia escura acelera a expansão do universo em escala global. À medida que a energia escura acelera a expansão do universo, ela tem o efeito oposto nas grandes estruturas.
“Se a gravidade atua como um amplificador que aumenta as perturbações da matéria para crescer em estruturas em grande escala, então a energia escura atua como um atenuador que amortece essas perturbações e retarda o crescimento da estrutura”, disse Nguyen. “Ao examinar como a estrutura cósmica tem se agrupado e crescido, podemos tentar compreender a natureza da gravidade e da energia escura.”
Nguyen, o professor de física da UM, Dragan Huterer, e o estudante de pós-graduação da UM, Yuewei Wen, examinaram o crescimento temporal da estrutura em grande escala ao longo do tempo cósmico usando várias sondas cosmológicas.
Primeiro, a equipe usou o que é chamado de radiação cósmica de fundo. A radiação cósmica de fundo, ou CMB, é composta de fótons emitidos logo após o Big Bang. Esses fótons fornecem um instantâneo do universo primitivo. À medida que os fotões viajam até aos nossos telescópios, o seu caminho pode tornar-se distorcido, ou sofrer lentes gravitacionais, devido a estruturas em grande escala ao longo do caminho. Examinando-os, os pesquisadores podem inferir como a estrutura e a matéria entre nós e a radiação cósmica de fundo em micro-ondas estão distribuídas.
Nguyen e colegas tiraram vantagem de um fenômeno semelhante com lentes gravitacionais fracas de formatos de galáxias. A luz das galáxias de fundo é distorcida por meio de interações gravitacionais com a matéria e as galáxias em primeiro plano. Os cosmólogos então decodificam essas distorções para determinar como a matéria interveniente é distribuída.
“Crucialmente, como a CMB e as galáxias de fundo estão localizadas a distâncias diferentes de nós e dos nossos telescópios, as lentes gravitacionais fracas da galáxia normalmente sondam as distribuições de matéria num momento posterior em comparação com o que é investigado pelas lentes gravitacionais fracas da CMB,” disse Nguyen.
Para acompanhar o crescimento da estrutura até um momento ainda mais tardio, os investigadores utilizaram ainda os movimentos das galáxias no universo local. À medida que as galáxias caem nos poços gravitacionais das estruturas cósmicas subjacentes, os seus movimentos acompanham diretamente o crescimento da estrutura.
“A diferença nestas taxas de crescimento que potencialmente descobrimos torna-se mais proeminente à medida que nos aproximamos dos dias atuais”, disse Nguyen. “Essas diferentes sondas, individual e coletivamente, indicam uma supressão do crescimento. Ou estamos perdendo alguns erros sistemáticos em cada uma dessas sondas, ou estamos perdendo alguma física nova e tardia em nosso modelo padrão.”
As descobertas abordam potencialmente a chamada tensão S8 na cosmologia. S8 é um parâmetro que descreve o crescimento da estrutura. A tensão surge quando os cientistas usam dois métodos diferentes para determinar o valor de S8 e não concordam. O primeiro método, usando fótons da radiação cósmica de fundo, indica um valor S8 mais alto do que o valor inferido a partir de lentes gravitacionais fracas de galáxias e medições de agrupamento de galáxias.
Nenhuma destas sondagens mede o crescimento da estrutura hoje. Em vez disso, sondam a estrutura em tempos anteriores e depois extrapolam essas medições para o tempo presente, assumindo o modelo padrão. As sondas cósmicas de fundo em micro-ondas se estruturam no universo primitivo, enquanto as lentes gravitacionais fracas da galáxia e a estrutura das sondas de agrupamento no universo tardio.
As descobertas dos investigadores sobre uma supressão tardia do crescimento trariam os dois valores S8 em perfeita concordância, de acordo com Nguyen.
“Ficamos surpresos com a alta significância estatística da supressão do crescimento anômalo”, disse Huterer. “Honestamente, sinto que o universo está tentando nos dizer algo. Agora é função de nós, cosmólogos, interpretar essas descobertas.
“Gostaríamos de fortalecer ainda mais a evidência estatística para a supressão do crescimento. Gostaríamos também de compreender a resposta à questão mais difícil de por que as estruturas crescem mais lentamente do que o esperado no modelo padrão com matéria escura e energia escura. A causa disto O efeito pode ser devido a novas propriedades da energia escura e da matéria escura, ou a alguma outra extensão da Relatividade Geral e do modelo padrão que ainda não pensamos.”
Publicado em 15/09/2023 17h53
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