Dado o quão incomensuravelmente grande o universo é, talvez seja compreensível que ainda não tenhamos desvendado todos os seus segredos. Mas, na verdade, existem algumas características bem básicas, que costumávamos pensar que poderíamos explicar, que os cosmólogos estão cada vez mais lutando para entender.
Medições recentes da distribuição de matéria no universo (a chamada estrutura em larga escala) parecem estar em conflito com as previsões do modelo padrão da cosmologia, nossa melhor compreensão de como o universo funciona.
O modelo padrão se originou há cerca de 25 anos e reproduziu com sucesso uma infinidade de observações. Mas algumas das últimas medições da estrutura em larga escala, um tópico no qual trabalho, indicam que a matéria é menos aglomerada (mais suave) do que deveria ser de acordo com o modelo padrão.
Este resultado tem os cosmólogos coçando a cabeça em busca de explicações. Algumas soluções são relativamente mundanas, como erros sistemáticos desconhecidos nas medições. Mas há soluções mais radicais. Isso inclui repensar a natureza da energia escura (a força que faz com que a expansão do universo acelere), invocar uma nova força da natureza ou até mesmo ajustar a teoria da gravidade de Einstein na maior das escalas.
Atualmente, os dados não conseguem distinguir facilmente entre diferentes ideias concorrentes. Mas as medições de pesquisas futuras estão prontas para dar um salto gigante em precisão. Podemos estar à beira de finalmente quebrar o modelo padrão da cosmologia.
O universo primitivo
Para entender a natureza da tensão atual e suas possíveis soluções, é importante entender como a estrutura do universo se formou e evoluiu subsequentemente. Grande parte do nosso entendimento vem de medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB). A CMB é a radiação que preenche o universo e é uma relíquia remanescente das primeiras centenas de milhares de anos de evolução cósmica após o Big Bang (para comparação, estima-se que o universo tenha 13,7 bilhões de anos).
Cientistas descobriram a CMB por acidente em 1964 (o que lhes rendeu um prêmio Nobel), mas sua existência e propriedades foram previstas anos antes.
Em excelente concordância com alguns dos primeiros trabalhos teóricos, a temperatura observada da CMB hoje é incrivelmente fria, 3 Kelvin (-270 °C). No entanto, em tempos muito antigos, era suficientemente quente (milhões de graus) para permitir a fusão de todos os elementos leves do universo, incluindo hélio e lítio, em elementos mais pesados.
O espectro do CMB (luz dividida por comprimento de onda) sugere que ele deve ter estado em equilíbrio térmico com a matéria no passado – o que significa que eles tinham a mesma distribuição de energias. Matéria e radiação só podem atingir equilíbrio térmico em ambientes muito densos. Então, medições do CMB demonstram convincentemente que o universo já foi um lugar extremamente quente e denso, com toda a matéria e radiação compactadas em um espaço muito pequeno.
À medida que o universo se expandia, ele esfriava rapidamente. E, ao fazê-lo, alguns dos elétrons livres que existiam na época foram capturados por prótons, formando átomos de hidrogênio. Essa “era de recombinação” aconteceu cerca de 300.000 anos após o Big Bang. Depois desse ponto, o universo ficou repentinamente menos denso, então a radiação do CMB foi “liberada” para viajar sem impedimento, e não interagiu significativamente com a matéria desde então.
Como a radiação é muito antiga, quando fazemos medições do CMB hoje, estamos aprendendo sobre as condições do universo primitivo. Mas o mapeamento detalhado do CMB nos diz muito mais do que isso.
Uma percepção fundamental dos mapas CMB obtidos com o telescópio Planck é que o universo também era excepcionalmente suave nos primeiros tempos. Havia apenas uma variação de 0,001% de um lugar para outro na densidade e temperatura da matéria e radiação no universo. Se houvesse uma variação mais extrema, essa matéria e radiação teriam sido muito mais agrupadas.
Essas variações, ou “flutuações”, são de fundamental importância para como a estrutura evoluiu subsequentemente no universo. Sem essas flutuações, não haveria galáxias, estrelas ou planetas – e nenhuma vida. Uma pergunta muito interessante é: de onde essas flutuações vieram”
Nosso entendimento atual é que elas são resultado da mecânica quântica, a teoria do microcosmo de átomos e partículas. A mecânica quântica mostra que o espaço vazio tem alguma energia de fundo que permite mudanças repentinas e locais, como partículas surgindo e desaparecendo. A natureza quântica da matéria e da energia foi verificada com precisão notável em laboratório.
Acredita-se que essas flutuações tenham sido explodidas em grandes escalas em um período muito rápido de expansão no universo primitivo chamado “inflação”, embora o mecanismo detalhado por trás da inflação ainda não seja totalmente compreendido.
Com o tempo, essas flutuações cresceram e o arranjo de matéria e radiação no universo tornou-se mais aglomerado. Regiões que eram ligeiramente mais densas tinham uma atração gravitacional mais forte e, portanto, atraíam ainda mais matéria, o que aumentava a densidade, o que fortalecia a atração gravitacional e assim por diante. Regiões de densidade ligeiramente menor perdiam, tornando-se mais vazias com o tempo – um caso cósmico dos ricos ficando mais ricos e os pobres ficando mais pobres.
As flutuações cresceram a tal ponto ao longo do tempo que galáxias e estrelas começaram a se formar, com galáxias sendo distribuídas dentro e ao longo dos filamentos e nós familiares que compõem uma “teia cósmica”.
A explicação padrão
A taxa na qual as flutuações crescem ao longo do tempo e como elas são agrupadas no espaço depende de vários fatores: a natureza da gravidade, os componentes constituintes da matéria e energia no universo e como esses componentes interagem (tanto entre si quanto entre si).
Esses fatores são encapsulados no modelo padrão da cosmologia. O modelo é baseado em uma solução para a teoria geral da relatividade de Einstein (nossa melhor compreensão da gravidade) que assume que o universo é homogêneo e isotrópico em grandes escalas – o que significa que parece o mesmo em todas as direções para todos os observadores.
Ele também assume que a matéria e a energia no universo são compostas de matéria normal (“bárions”), matéria escura consistindo de partículas relativamente pesadas e lentas (matéria escura “fria”) e uma quantidade constante de energia escura (constante cosmológica de Einstein, denotada Lambda).
Desde sua origem há aproximadamente 25 anos, o modelo explicou com sucesso muitas observações do universo em grandes escalas, incluindo as propriedades detalhadas do CMB.
E até muito recentemente, ele também forneceu excelentes ajustes para uma variedade de medições do agrupamento de estruturas em larga escala em tempos tardios. De fato, algumas medições de estruturas em larga escala ainda são muito bem descritas pelo modelo padrão, e isso pode fornecer uma pista importante quanto à origem da tensão atual.
Lembre-se de que o CMB nos mostra o agrupamento de matéria (as flutuações) em tempos antigos. Então podemos usar o modelo padrão para evoluir isso para frente no tempo e prever como ele deveria, teoricamente, parecer hoje. Se houver um ajuste entre essa previsão e as observações, isso é uma indicação muito forte de que os ingredientes do modelo padrão estão corretos.
A tensão ‘S8’
O que mudou recentemente é que nossas medições de estrutura em larga escala, particularmente em tempos muito tardios, melhoraram significativamente em sua precisão. Várias pesquisas, como a Dark Energy Survey e a Kilo Degree Survey, encontraram evidências de inconsistências entre observações e o modelo padrão.
Em outras palavras, há uma incompatibilidade entre as flutuações do tempo inicial e do tempo tardio: as flutuações do tempo tardio não são tão grandes quanto o esperado. Os cosmólogos se referem a esse choque como a “tensão S8”, pois S8 é um parâmetro que usamos para caracterizar o agrupamento de matéria no universo do tempo tardio.
Dependendo do conjunto de dados específico, a chance da tensão ser um acaso estatístico pode ser tão baixa quanto 0,3%. Mas, de um ponto de vista estatístico, isso não é suficiente para descartar firmemente o modelo padrão.
No entanto, há fortes indícios da tensão em uma variedade de observações independentes. E tentativas de explicá-la devido a incertezas sistemáticas nas medições ou modelagem simplesmente não foram bem-sucedidas até o momento.
Por exemplo, foi sugerido anteriormente que talvez processos energéticos não gravitacionais, como ventos e jatos de buracos negros supermassivos, poderiam injetar energia suficiente para alterar o agrupamento de matéria em grandes escalas.
No entanto, mostramos usando simulações hidrodinâmicas cosmológicas de última geração (chamadas Flamingo) que tais efeitos parecem ser muito pequenos para explicar a tensão com o modelo padrão da cosmologia.
Se a tensão está de fato nos apontando para uma falha no modelo padrão, isso implicaria que algo nos ingredientes básicos do modelo não está correto.
Isso teria consequências enormes para a física fundamental. Por exemplo, a tensão pode estar indicando que algo está errado sobre nossa compreensão da gravidade, ou a natureza da substância desconhecida chamada matéria escura ou energia escura. No caso da matéria escura, uma possibilidade é que ela interaja consigo mesma por meio de uma força desconhecida (algo além da gravidade).
Alternativamente, talvez a energia escura não seja constante, mas evolua com o tempo, como os primeiros resultados do Dark Energy Survey Instrument (Desi) podem indicar. Alguns cientistas estão até considerando a possibilidade de uma nova (quinta) força da natureza. Esta seria uma força de força semelhante à gravidade que opera em escalas muito grandes e agiria para desacelerar o crescimento da estrutura.
Mas observe que quaisquer modificações do modelo padrão também precisariam levar em conta as muitas observações do universo que o modelo explica com sucesso. Esta não é uma tarefa simples. E antes de tirarmos grandes conclusões, devemos ter certeza de que a tensão é real e não simplesmente uma flutuação estatística.
A boa notícia é que as próximas medições de estrutura em larga escala com Desi, o Observatório Rubin, Euclid, o Observatório Simons e outros experimentos serão capazes de confirmar com medições muito mais precisas se a tensão é real.
Eles também serão capazes de testar completamente muitas das alternativas ao modelo padrão que foram propostas. Pode ser que dentro dos próximos dois anos tenhamos descartado o modelo padrão da cosmologia e mudado profundamente nossa compreensão de como o universo funciona. Ou o modelo pode ser justificado e mais confiável do que nunca. É um momento emocionante para ser um cosmólogo.
Publicado em 27/09/2024 09h03
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