Uma série de observações poderosas deixou claro que nosso universo se expandiu por bilhões de anos, emergindo do estado quente e denso que chamamos de Big Bang. Nas últimas décadas, novos tipos de medições precisas permitiram aos cientistas examinar e refinar esse relato, permitindo que eles reconstruíssem a história do nosso universo com detalhes cada vez maiores.
Quando comparamos os resultados de diferentes tipos de medidas – a taxa de expansão do universo, os padrões de temperatura na luz liberada quando os primeiros átomos se formaram, a abundância de vários elementos químicos e a distribuição de galáxias e outras estruturas em larga escala – encontramos uma “coincidência” impressionante. Cada uma dessas linhas de evidência suporta a conclusão de que nosso universo se expandiu e evoluiu da mesma maneira que a teoria do Big Bang prevê. Nesta perspectiva, nosso universo parece ser notavelmente compreensível.
Mas os cosmologistas têm se esforçado – se não completamente falhado – para entender as facetas essenciais do universo. Não sabemos quase nada sobre matéria escura e energia escura, que juntas compõem mais de 95% da energia total existente hoje. Não entendemos como os prótons, elétrons e nêutrons do universo poderiam ter sobrevivido aos efeitos posteriores do Big Bang. De fato, tudo o que sabemos sobre as leis da física nos diz que essas partículas deveriam ter sido destruídas pela antimatéria há muito tempo. E, a fim de entender o universo como o observamos, os cosmólogos foram forçados a concluir que o espaço, durante seus primeiros momentos, deve ter passado por um breve e espetacular período de expansão hiper-rápida – um evento conhecido como inflação cósmica. No entanto, não sabemos quase nada sobre essa era fundamental da história cósmica.
É possível que esses quebra-cabeças sejam pouco mais do que pontas soltas, cada um dos quais será resolvido à medida que os cosmólogos continuarem investigando nosso universo. Mas até agora, esses problemas provaram ser notavelmente teimosos e persistentes. Com o objetivo de identificar as partículas individuais que compõem a matéria escura, os cientistas projetaram e construíram uma série de experimentos impressionantes – mas nenhuma dessas partículas apareceu. Até poderosos aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider, não revelaram nada que nos aproxime a resolver qualquer um desses mistérios cósmicos. E, apesar de ter medido a história da expansão e a estrutura em larga escala do universo em detalhes cada vez maiores, não obtivemos um entendimento substancialmente maior da natureza da energia escura, a força que parece estar acelerando a expansão do cosmos.
É dessa perspectiva que alguns cosmólogos se perguntam se esses mistérios cósmicos podem ser sintomas de algo mais significativo do que alguns fios soltos. Talvez esses quebra-cabeças não sejam tão independentes quanto possam parecer, mas, em vez disso, estão nos apontando coletivamente para uma imagem muito diferente do nosso universo e de seus primeiros momentos.
O que aprendemos ao não descobrir matéria escura
A matéria escura é provavelmente o problema mais célebre que os cosmólogos modernos enfrentam. Os astrônomos determinaram que a maior parte da matéria em nosso universo não consiste em átomos ou quaisquer outras substâncias conhecidas, mas em algo mais – algo que não irradia, reflete ou absorve luz de maneira apreciável.
Apesar de não saber muito sobre a natureza da matéria escura, os cosmólogos costumam especular sobre os tipos de partículas que podem compor essa substância. Em particular, os pesquisadores há muito reconhecem que, se as partículas de matéria escura interagem através de uma força que é aproximadamente tão poderosa quanto a força nuclear fraca (que governa o decaimento radioativo), então o número dessas partículas que deveriam ter emergido do Big Bang corresponderia aproximadamente a abundância medida de matéria escura encontrada no universo hoje. Com isso em mente, partículas maciças com interação fraca – WIMPs – se tornaram o melhor palpite para a natureza da matéria escura.
MPs foi que os cientistas pensaram que sabiam como detectar as partículas e estudar suas propriedades. Motivados por esse objetivo, os físicos se engajaram em um programa experimental ambicioso para identificar esses WIMPs e aprender como eles foram criados no Big Bang. Nas últimas décadas, os pesquisadores implantaram uma sucessão de detectores de matéria escura cada vez mais sensíveis em laboratórios subterrâneos capazes de detectar colisões individuais entre uma partícula de matéria escura e os átomos que compõem o alvo.
Esses sofisticados experimentos tiveram um desempenho bonito – ou melhor que o projetado. No entanto, essas colisões não foram observadas. Há uma década, muitos cientistas estavam otimistas de que esses experimentos dariam frutos. Mas a matéria escura acabou sendo muito diferente e muito mais ilusória do que havíamos imaginado.
Embora ainda seja possível que a matéria escura possa consistir em alguma forma de WIMPs difíceis de detectar, a falta de qualquer sinal de experimentos subterrâneos levou muitos físicos a mudar seu foco para outros candidatos à matéria escura. Um desses candidatos é uma partícula ultraleve hipotética conhecida como axion. Os axions são previstos de acordo com uma teoria proposta pelos físicos de partículas Roberto Peccei e Helen Quinn em 1977. Embora os cientistas estejam procurando axions em experimentos que usem campos magnéticos poderosos para convertê-los em fótons, essas investigações ainda precisam impor restrições muito restritas às propriedades dessas partículas.
Outra possibilidade que poderia explicar por que a matéria escura tem sido tão difícil de detectar é que os primeiros momentos do universo podem ter ocorrido de maneira muito diferente do que os cosmólogos imaginavam há muito tempo. Veja o caso do WIMP convencional. Os cálculos mostram que o universo incipiente deveria ter produzido grandes quantidades dessas partículas durante o primeiro milionésimo de segundo após o Big Bang, quando atingiram um estado de equilíbrio com o plasma circundante de quarks, glúons e outras partículas subatômicas. O número de WIMPs que poderiam ter sobrevivido a essas condições – e finalmente contribuíram para a matéria escura encontrada no universo atual – depende de como e com que frequência eles interagiram. Mas, ao realizar cálculos como esses, os cientistas geralmente assumem que o espaço se expandia constantemente durante a primeira fração de segundo, sem eventos ou transições inesperadas. É inteiramente plausível que isso simplesmente não fosse o caso.
Embora os cosmólogos saibam muito sobre como nosso universo se expandiu e evoluiu ao longo da maior parte de sua história, eles sabem relativamente pouco sobre os primeiros segundos que se seguiram ao Big Bang – e quase nada sobre o primeiro bilionésimo de segundo. Quando se trata de como o nosso universo pode ter evoluído, ou dos eventos que podem ter ocorrido durante esses primeiros momentos, não temos essencialmente nenhuma observação direta sobre a qual confiar. Esta era está oculta, enterrada sob camadas impenetráveis de energia, distância e tempo.
Nossa compreensão desse período da história cósmica é, em muitos aspectos, pouco mais que um palpite informado, baseado em inferência e extrapolação. Olhe o suficiente para trás no tempo, e quase tudo o que sabemos sobre o nosso universo poderia ter sido diferente. A matéria e a energia existiam de formas diferentes das que existem hoje e podem ter experimentado forças que ainda não foram descobertas. Podem ter ocorrido eventos e transições importantes que a ciência ainda não esclareceu. A matéria provavelmente interagiu de maneiras que não o fazem mais, e o espaço e o tempo em si podem ter se comportado de maneira diferente do que no mundo que conhecemos.
Com isso em mente, muitos cosmologistas começaram a considerar a possibilidade de que nosso fracasso em detectar as partículas que compõem a matéria escura possa nos dizer não apenas sobre a natureza da própria matéria escura, mas também sobre a época em que foi criada. Ao estudar a matéria escura, os cientistas estão aprendendo sobre os primeiros momentos após o Big Bang.
Qual a velocidade da expansão do espaço?
Em 1929, Edwin Hubble descobriu que as galáxias estão se afastando de nós em velocidades proporcionais às suas distâncias. Isso forneceu a primeira evidência clara de que nosso universo está se expandindo. Desde então, a taxa atual dessa expansão – a constante de Hubble – tem sido uma das principais propriedades do universo que estudam os cosmólogos.
É justo dizer que a constante do Hubble tem sido difícil de medir. A determinação original de Hubble foi atormentada por erros sistemáticos que o levaram a superestimar a taxa de expansão em um fator de 7. Até a década de 1990, os livros didáticos frequentemente citavam valores que variavam de 50 a 100 quilômetros por segundo para cada milhão de parsecs. separando dois pontos no espaço – geralmente escritos como 50 a 100 km / s / Mpc. (Um megaparsec [Mpc] é igual a 3,26 milhões de anos-luz.) Embora a precisão dessas medições tenha melhorado consideravelmente nas duas últimas décadas, ainda não existe consenso sobre o valor correto para essa quantidade. De fato, à medida que essas medidas melhoraram, os resultados de diferentes métodos parecem discordar ainda mais.
Uma maneira de determinar a constante de Hubble é medir diretamente a rapidez com que os objetos estão se afastando de nós, exatamente como Hubble fez em 1929. Para suas medições, Hubble usou uma classe especial de estrelas pulsantes conhecidas como variáveis cefeidas, cujas luminosidades intrínsecas acompanham os períodos em que eles brilham e desaparecem. Os cosmólogos modernos continuam a usar as cefeidas para esse fim, mas também empregam outras classes de objetos, incluindo supernovas do tipo Ia – anãs brancas que explodem e que têm a mesma luminosidade aproximada. Quando os pesquisadores combinam os dados mais recentes, descobrem que o universo está atualmente se expandindo a uma taxa de 72 a 76 km / s / Mpc.
Mas esse não é o fim da história. Os cosmologistas também podem inferir o valor da constante de Hubble estudando a luz primordial liberada quando os primeiros átomos se formaram 380.000 anos após o Big Bang. Os padrões detalhados de temperatura dessa luz – conhecida como fundo cósmico de microondas – servem como um mapa que mostra como a matéria estava distribuída por todo o universo naquele momento.
Quando examinado, este mapa revela muitos detalhes sobre o nosso jovem universo, incluindo a quantidade de matéria e outras formas de energia presentes, bem como a velocidade da expansão do espaço. Também nos diz que a constante do Hubble é de cerca de 67 km / s / Mpc – um valor significativamente menor do que os cosmólogos encontraram através de medições mais diretas.
O que essa incompatibilidade significa para o nosso universo? Supondo que esses estudos tenham explicado corretamente todas as incertezas sistemáticas inerentes às observações, essas duas maneiras de determinar a constante de Hubble parecem ser incompatíveis – pelo menos dentro do contexto do modelo cosmológico padrão. Para tornar esses resultados discrepantes mutuamente consistentes, os astrônomos seriam forçados a mudar a forma como pensamos que o cosmos se expandia e evoluía, ou a reconsiderar as formas de matéria e energia no universo durante as primeiras centenas de milhares de anos após o Big Bang.
Segundo a teoria geral da relatividade de Einstein, a taxa na qual o espaço se expande depende da densidade da matéria e de outras formas de energia que ele contém. Quando os cosmólogos inferem o valor da constante de Hubble a partir do fundo cósmico de microondas, eles precisam fazer suposições sobre as quantidades de matéria escura, neutrinos e outras substâncias presentes.
Talvez a maneira mais simples de explicar a tensão entre as diferentes medidas da constante de Hubble seja a hipótese de que o cosmos contenha mais energia do que o esperado nos primeiros cem mil anos seguintes ao Big Bang. Essa energia pode ter assumido a forma de uma espécie exótica de luz e partículas que interagem fracamente, ou de algum tipo de energia escura associada ao vácuo do próprio espaço que há muito desapareceu do universo. Ou talvez haja algo mais que não entendemos sobre essa era da história cósmica. Simplesmente ainda não sabemos como resolver esse mistério intrigante.
Está chegando uma revolução?
Como eu disse anteriormente, é possível que os vários quebra-cabeças que os cosmólogos enfrentem hoje sejam pouco mais do que alguns fios triviais que os cientistas amarrarão muito bem nos próximos anos com a ajuda de novos experimentos e observações. Mas ultimamente, parece que quanto mais estudamos o universo, menos o compreendemos. Apesar de décadas de esforço, a natureza da matéria escura permanece desconhecida, e o problema da energia escura parece quase intratável. Não sabemos como as partículas que compõem os átomos em nosso universo conseguiram sobreviver aos primeiros momentos do Big Bang, e ainda sabemos pouco sobre a inflação cósmica, como ela se desenrolou ou como chegou ao fim – assumindo que algo como a inflação aconteceu.
É dessa perspectiva que às vezes somos pegos considerando se esses mistérios podem representar algo maior do que algumas perguntas abertas e não relacionadas. Talvez eles estejam nos dizendo que os primeiros momentos do nosso universo foram muito diferentes do que imaginávamos que fossem. Talvez esses problemas representem o começo de uma revolução para a ciência da cosmologia.
Às vezes nos perguntamos se poderíamos estar em um precipício significativo da história científica, semelhante ao que experimentamos em 1904. Naquela época, a física nunca antes parecia estar em uma base tão sólida. Por mais de dois séculos, os princípios da física newtoniana foram aplicados com sucesso a problemas após problemas. E embora os físicos expandissem seu conhecimento em áreas como eletricidade, magnetismo e calor, esses aspectos do mundo não eram realmente tão diferentes daqueles que Newton havia descrito centenas de anos antes. Para os físicos de 1904, o mundo parecia bem entendido. Havia poucas razões para esperar uma revolução.
Semelhante à situação que os cosmólogos enfrentam hoje, no entanto, os físicos de 1904 ainda não haviam sido capazes de enfrentar alguns desafios. O meio pelo qual eles acreditavam que a luz viajava – o éter luminífero – deveria ter induzido variações na velocidade da luz, e ainda assim a luz sempre se move pelo espaço na mesma velocidade. Os astrônomos observaram que a órbita de Mercúrio era um pouco diferente do que a física newtoniana previu, levando alguns a sugerir que um planeta desconhecido, chamado Vulcano, pode estar perturbando a trajetória de Mercúrio.
Os físicos em 1904 não tinham idéia do que alimentava o Sol – nenhum processo químico ou mecânico conhecido poderia gerar tanta energia por tanto tempo. Por fim, os cientistas sabiam vários elementos químicos emitidos e absorvidos de luz com padrões específicos, nenhum dos quais os físicos tinham a menor idéia de como explicar. Em outras palavras, o funcionamento interno do átomo permaneceu um mistério total e absoluto.
Embora poucos tenham visto isso, em retrospectiva, está claro que esses problemas eram arautos de uma revolução na física. E em 1905, a revolução chegou, inaugurada por um jovem Albert Einstein e sua nova teoria da relatividade. Agora sabemos que o éter luminífero não existe e que não há planeta vulcano. Em vez disso, essas ficções eram sintomas do fracasso subjacente da física newtoniana. A relatividade lindamente resolveu e explicou cada um desses mistérios sem a necessidade de novas substâncias ou planetas.
Além disso, quando os cientistas combinaram a relatividade com a nova teoria da física quântica, tornou-se possível explicar a longevidade do Sol, bem como o funcionamento interno dos átomos. Essas novas teorias até abriram portas para novas e inimagináveis linhas de investigação, incluindo a própria cosmologia.
As revoluções científicas podem transformar profundamente como vemos e entendemos nosso mundo. Mas nunca é fácil prever mudanças radicais. Provavelmente não há como saber se os mistérios enfrentados pelos cosmólogos de hoje são os sinais de uma revolução científica iminente ou apenas os últimos fins frouxos de um empreendimento científico incrivelmente bem-sucedido.
Não há dúvida de que fizemos um progresso incrível na compreensão de nosso universo, sua história e sua origem. Mas também é inegável que estamos profundamente intrigados, especialmente quando se trata dos primeiros momentos da história cósmica. Não tenho dúvidas de que esses momentos guardam segredos incríveis, e talvez as chaves para uma nova revolução científica. Mas nosso universo guarda seus segredos de perto. Cabe a nós convencer esses segredos de suas garras, transformando-os de mistério em descoberta.
Publicado em 24/05/2020 06h15
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