Os físicos propuseram ingredientes cósmicos extras que poderiam explicar a expansão do espaço mais rápida do que o esperado.
A discrepância entre a rapidez com que o universo parece estar se expandindo e a rapidez com que esperamos que ele se expanda é uma das anomalias mais teimosamente persistentes da cosmologia.
Os cosmologistas baseiam suas expectativas em relação à taxa de expansão – uma taxa conhecida como constante de Hubble – em medições de radiação emitida logo após o Big Bang. Essa radiação revela os ingredientes precisos do universo primitivo. Os cosmologistas inserem os ingredientes em seu modelo de evolução cósmica e avançam o modelo para ver com que rapidez o espaço deve estar se expandindo hoje.
No entanto, a previsão é insuficiente: quando os cosmólogos observam objetos astronômicos, como estrelas pulsantes e supernovas explosivas, eles veem um universo que está se expandindo mais rapidamente, com uma constante maior de Hubble.
A discrepância, conhecida como tensão de Hubble, persistiu mesmo quando todas as medidas se tornaram mais precisas. Alguns astrofísicos continuam a debater se a tensão pode ser apenas um erro de medição. Mas se a discrepância é real, significa que algo está faltando no modelo de universo dos cosmólogos.
Recentemente, os teóricos têm estado ocupados imaginando novos ingredientes cósmicos que, quando adicionados ao modelo padrão, aumentariam a taxa de expansão esperada do universo, fazendo com que ele correspondesse às observações.
“Descobrir anomalias é a maneira fundamental de a ciência progredir”, disse Avi Loeb, cosmologista da Universidade de Harvard e um dos dezenas de pesquisadores que propuseram soluções para a tensão do Hubble.
Essas são algumas das principais idéias para o que poderia estar acelerando a expansão cósmica.
Matéria Escura Decadente
O modelo padrão de cosmologia incorpora todas as formas familiares de matéria e radiação e suas interações. Também inclui as substâncias invisíveis conhecidas como energia escura e matéria escura, que juntas representam cerca de 96% do cosmos. Como pouco se sabe sobre esses ingredientes escuros, eles talvez sejam o lugar óbvio para começar a adulterar o modelo padrão. “É isso que você tem à sua disposição para alterar a taxa de expansão do universo”, disse Loeb.
O modelo padrão assume que a matéria escura consiste em partículas de movimento lento que não interagem com a luz. Mas e se assumirmos também que a matéria escura não é feita de apenas uma substância? Como existem muitos tipos diferentes de partículas visíveis – quarks, elétrons e assim por diante -, também pode haver várias partículas escuras.
Em um artigo publicado no verão passado na Physical Review D, Loeb e dois colaboradores consideraram uma forma de matéria escura que se decompõe em uma partícula mais clara e uma partícula sem massa conhecida como fóton escuro. À medida que mais e mais matéria escura decaiu ao longo do tempo, eles argumentaram, sua atração gravitacional teria diminuído e, assim, a expansão do universo teria acelerado, aliviando a tensão de Hubble.
Mas fazer pequenas alterações como essa no modelo cosmológico padrão pode ter efeitos indesejáveis. “É muito fácil apresentar todos os tipos de pequenas modificações”, disse Marc Kamionkowski, físico teórico da Universidade Johns Hopkins – mas é difícil fazê-lo, disse ele, sem arruinar o ajuste perfeito do modelo com muitas outras observações astronômicas.
Ao variar a taxa de decaimento e a quantidade de matéria escura perdida em cada decaimento, Loeb e colegas selecionaram um modelo de matéria escura em decomposição que, segundo eles, ainda concorda com outras observações astronômicas. “Se você adicionar esse ingrediente ao modelo padrão de cosmologia, tudo se mantém”, disse Loeb.
No entanto, ele permanece insatisfeito com a idéia da matéria escura decadente, em parte porque ela introduz duas novas quantidades incertas nas equações.
“Nesse caso, você adiciona dois parâmetros livres para resolver uma discrepância – e eu fico desconfortável com isso”, disse ele, comparando a matéria escura em decomposição com os epiciclos no modelo do universo centrado na Terra de Ptolomeu. “Prefiro ter duas discrepâncias explicadas por um parâmetro.”
Energia Escura Inconstante
Desde a surpresa descoberta em 1998 de que a expansão do universo está se acelerando, os cosmologistas incluem uma energia escura repulsiva em seu modelo de evolução cósmica. Mas sua natureza permanece um mistério. A possibilidade mais simples é que a energia escura seja a “constante cosmológica” – a energia do próprio espaço, com uma densidade constante em todos os lugares. Mas e se a quantidade de energia escura no universo não for constante?
Uma dose extra de energia escura no universo primitivo, apelidada de energia escura inicial, poderia reconciliar os valores conflitantes da constante Hubble. A pressão externa dessa energia escura inicial aceleraria a expansão do universo. “A parte complicada é que [a energia escura do início] não pode realmente ficar por aqui; tem que desaparecer rapidamente ?, disse Lisa Randall, física de partículas e cosmóloga de Harvard.
Randall e seus colaboradores criaram o que chamam de soluções “rock ‘n’ roll” para a tensão do Hubble em um artigo enviado ao Journal of High Energy Physics. Cada uma dessas adições ao modelo padrão assume uma forma matemática diferente – em algumas, a densidade da energia escura oscila, ou rochas, enquanto em outras ela passa de um valor alto para zero. Mas em todos os casos, a energia escura inicial deve desaparecer após algumas centenas de milhares de anos, durante uma época conhecida como recombinação. “A história do universo desde a recombinação é bastante consistente com o modelo padrão”, disse Kamionkowski, co-autor de um artigo sobre energia escura precoce publicado na Physical Review Letters em junho passado. “Portanto, qualquer negócio de macacos que fazemos no universo primitivo precisa decair.”
Juntamente com a energia escura inicial, os teóricos apresentaram outras formas exóticas de energia escura – como quintessência e energia escura fantasma – que também mudam à medida que o universo envelhece. Embora essas extensões do modelo padrão aliviem a tensão do Hubble, elas são consideradas por muitos cosmólogos como afinadas – adições matemáticas oportunas que não têm justificativa clara.
Mas Kamionkowski diz que as novas formas de energia escura parecem menos artificiais quando consideradas ao lado de outros períodos de expansão na história do universo. Por exemplo, a maioria dos cosmólogos pensa que o espaço se expandiu exponencialmente no início do Big Bang durante um período conhecido como inflação, que foi impulsionado por um tipo diferente de energia escura do que existe hoje. Pensa-se que esses períodos dominados pela energia escura “ocorram ocasionalmente ao longo da história do universo”, disse Kamionkowski.
Gravidade modificada
No modelo padrão de cosmologia, todas as formas conhecidas de matéria e radiação, além de matéria escura e energia escura, são inseridas na teoria da gravidade de Albert Einstein, e as equações de Einstein indicam como o espaço se expande como resultado. Isso significa que, além de alterar ou adicionar ingredientes cósmicos ao modelo, existe outra maneira de os físicos conciliá-lo com a taxa de expansão cósmica observada: “Você pode imaginar que as equações de Einstein não estão corretas”, disse Loeb.
William Barker, um estudante de doutorado na Universidade de Cambridge, estava procurando uma teoria da “gravidade modificada” no último verão, quando encontrou uma maneira de resolver a tensão de Hubble. Barker encontrou um modelo de gravidade modificada que era “capaz de se comportar como se houvesse radiação extra no universo primitivo”, disse ele; a pressão de radiação teria aumentado a taxa de expansão cósmica.
Mas, em uma pré-impressão submetida à Physical Review D em março, Barker e três co-autores reconhecem que são necessárias muito mais análises para ver se o modelo pode descrever não apenas como o universo se expande, mas também como estruturas como galáxias e aglomerados evoluíram.
Com os telescópios contemporâneos oferecendo uma quantidade exagerada de dados precisamente impressionantes sobre essas estruturas, elaborar uma teoria que corresponda a todas as observações não é tarefa fácil. “Muitas das teorias de gravidade modificada não são teorias completas e, quando você está tentando fazer um cálculo detalhado com conjuntos de dados sofisticados … é difícil fazer isso de maneira robusta”, disse Kamionkowski.
Espere e veja
“Todos sabemos que eles são ad hoc”, disse Randall sobre as propostas até agora. “O incrível é que, mesmo com essas adições ad hoc, ainda é muito difícil acomodar a discrepância”.
Mesmo com a liberdade extra, a maioria dos modelos fora do padrão apenas reduz a tensão do Hubble em vez de eliminá-la. Eles prevêem uma taxa de expansão cósmica mais rápida que o modelo padrão, mas ainda não é rápido o suficiente para corresponder às observações de supernovas e outros objetos astronômicos.
Nos próximos anos, o telescópio Euclides e outros mapearão meticulosamente como a gravidade e a energia escura moldaram a evolução cósmica. Enquanto isso, as ondas gravitacionais emitidas pelas estrelas de nêutrons em colisão oferecem uma nova maneira de medir a constante de Hubble. Os novos dados descartarão algumas dessas soluções inovadoras para a tensão do Hubble, mas podem surgir novas falhas no modelo padrão. Por enquanto, muitos cosmólogos relutam em complicar o modelo quando, de outra forma, funciona tão bem. “Há um pouco de senso de espera para ver, a menos que alguém tenha uma idéia muito boa”, disse Randall.
Ela acrescentou que, mesmo que a tensão do Hubble acabe sendo nada mais que um acúmulo de erros, essa busca por nova física pode não ser em vão.
“Resultados interessantes ocasionalmente vêm de coisas que desaparecem eventualmente”, disse Randall. “Obriga você a pensar: o que sabemos? E quanto podemos mudar as coisas?”
Publicado em 27/04/2020 21h29
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