O “modelo padrão? em cosmologia – que vem evoluindo desde meados do século XX – é extremamente popular entre os astrônomos. Eles gostam porque ele explica muito do que vemos.
Mas o modelo padrão não conseguiu explicar parte do que os astrônomos observam em nosso universo, incluindo a expansão das galáxias, a suavidade versus “aglomeração? da matéria, galáxias massivas primitivas e muito mais.
Novas observações confirmarão ou confundirão o modelo padrão? Teremos validação do modelo padrão? Ou haverá um ponto de inflexão em que descobriremos que precisamos de uma nova física”
Cosmologia na mira
Nos últimos anos, uma série de controvérsias abalou o campo bem estabelecido da cosmologia. Em poucas palavras, as previsões do modelo padrão do universo parecem estar em desacordo com algumas observações recentes.
Há debates acalorados sobre se essas observações são tendenciosas ou se o modelo cosmológico, que prevê a estrutura e a evolução de todo o universo, pode precisar ser repensado. Alguns até afirmam que a cosmologia está em crise. No momento, não sabemos qual lado vencerá. Mas, empolgantemente, estamos prestes a descobrir isso.
Para ser justo, as controvérsias são apenas o curso normal do método científico. E ao longo de muitos anos, o modelo cosmológico padrão teve sua cota delas. Este modelo sugere que o universo é composto de 68,3% de energia escura. A energia escura é uma substância desconhecida que faz com que a expansão do universo acelere. Além disso, o modelo diz que 26,8% do universo é matéria escura (uma forma desconhecida de matéria) e 4,9% são átomos comuns. Os cientistas medem isso precisamente a partir do fundo cósmico de micro-ondas, ou o brilho residual da radiação do Big Bang.
Ele explica com muito sucesso multidões de dados em escalas grandes e pequenas do universo. Por exemplo, ele pode explicar coisas como a distribuição de galáxias ao nosso redor e a quantidade de hélio e deutério produzidos nos primeiros minutos do universo. Talvez o mais importante, ele também pode explicar perfeitamente o fundo cósmico de micro-ondas.
Isso o levou a ganhar a reputação de “modelo de concordância”. Mas uma tempestade perfeita de medições inconsistentes – ou “tensões”, como são conhecidas na cosmologia – agora estão questionando a validade desse modelo de longa data.
Tensões desconfortáveis “”na cosmologia:
O modelo padrão faz suposições específicas sobre a natureza da energia escura e da matéria escura. Mas, apesar de décadas de observação intensa, ainda parecemos não estar mais perto de descobrir em que consistem a matéria escura e a energia escura.
O teste decisivo é a chamada tensão de Hubble. Isso se relaciona com a constante de Hubble, que é a taxa de expansão do universo no momento presente. Quando medido em nosso universo local próximo, da distância até estrelas pulsantes em galáxias próximas, chamadas Cefeidas, seu valor é de 73 quilômetros por segundo por Megaparsec (km/s/Mpc). (Um Megaparsec é uma unidade de medida para distâncias no espaço intergaláctico.) No entanto, quando previsto teoricamente, o valor é de 67,4 km/s/Mpc. A diferença pode não ser grande (apenas 8%), mas é estatisticamente significativa.
A tensão de Hubble se tornou conhecida há cerca de uma década. Naquela época, as pessoas pensavam que as observações poderiam ter sido tendenciosas. Por exemplo, as Cefeidas, embora brilhantes e fáceis de ver, estavam aglomeradas com outras estrelas. Então isso poderia tê-las feito parecer ainda mais brilhantes. E isso poderia ter tornado a constante de Hubble mais alta em alguns por cento em comparação com a previsão do modelo, criando assim uma tensão artificial.
Com o advento do Telescópio Espacial James Webb, podemos separar as estrelas individualmente. Então, esperávamos ter uma resposta para essa tensão.
Ainda procurando por respostas:
Frustrantemente, isso ainda não aconteceu. Os astrônomos agora usam dois outros tipos de estrelas além das Cefeidas. (Esses tipos são as estrelas da Ponta do Ramo das Gigantes Vermelhas (TRGB) e as estrelas do Ramo das Gigantes Assintóticas da região J (JAGB).) Mas enquanto um grupo relatou valores das estrelas JAGB e TRGB que são tentadoramente próximos do valor esperado do modelo cosmológico, outro grupo alegou que ainda está vendo inconsistências em suas observações. Enquanto isso, as medições das Cefeidas continuam a mostrar uma tensão de Hubble.
É importante notar que, embora essas medições sejam muito precisas, elas ainda podem ser tendenciosas por alguns efeitos associados exclusivamente a cada tipo de medição. Isso afetará a precisão das observações, de uma maneira diferente para cada tipo de estrela. Uma medição precisa, mas imprecisa, é como tentar conversar com uma pessoa que está sempre perdendo o ponto. Para resolver desacordos entre dados conflitantes, precisamos de medições que sejam precisas e exatas.
A boa notícia é que a tensão de Hubble agora é uma história em rápido desenvolvimento. Talvez tenhamos a resposta para ela dentro do próximo ano ou algo assim. Melhorar a precisão dos dados, por exemplo, incluindo estrelas de galáxias mais distantes, ajudará a resolver isso. Da mesma forma, medições de ondulações no espaço-tempo – ou ondas gravitacionais – também poderão nos ajudar a fixar a constante.
Um bom histórico para o modelo padrão
Tudo isso pode justificar o modelo padrão. Ou pode sugerir que há algo faltando nele. Talvez a natureza da matéria escura ou a maneira como a gravidade se comporta em escalas específicas seja diferente do que acreditamos agora. Mas antes de descontar o modelo, é preciso se maravilhar com sua precisão incomparável. Ele só erra o alvo por no máximo alguns por cento, enquanto extrapola mais de 13 bilhões de anos de evolução.
Para colocar em perspectiva, mesmo os movimentos mecânicos dos planetas no sistema solar só podem ser computados de forma confiável por menos de 1 bilhão de anos, após os quais se tornam imprevisíveis. O modelo cosmológico padrão é uma máquina extraordinária.
A “aglomeração” na cosmologia:
A tensão de Hubble não é o único problema para a cosmologia. Outra, conhecida como tensão S8, também está causando problemas, embora não na mesma escala. Aqui, o modelo tem um problema de suavidade, ao prever que a matéria no universo deve estar mais aglomerada do que realmente observamos, em cerca de 10%. Existem várias maneiras de medir a “aglomeração” da matéria, por exemplo, analisando as distorções na luz das galáxias, produzidas pela suposta matéria escura intervindo ao longo da linha de visão.
Atualmente, parece haver um consenso na comunidade de que as incertezas nas observações precisam ser desvendadas antes de descartar o modelo cosmológico. Uma maneira possível de aliviar essa tensão é entender melhor o papel dos ventos gasosos nas galáxias, que podem empurrar parte da matéria para fora, tornando-a mais suave.
Entender como as medições de aglomeração em pequenas escalas se relacionam com aquelas em escalas maiores ajudaria. As observações também podem sugerir que há uma necessidade de mudar a forma como modelamos a matéria escura. Por exemplo, se em vez de ser feita inteiramente de partículas frias e lentas, como o modelo padrão assume, a matéria escura pudesse ser misturada com algumas partículas quentes e rápidas. Isso poderia desacelerar o crescimento da aglomeração em tempos cósmicos tardios, o que aliviaria a tensão S8.
Primeiras galáxias massivas
Webb destacou outros desafios ao modelo padrão. Um deles é que as primeiras galáxias parecem ser muito mais massivas do que o esperado. Algumas galáxias podem pesar tanto quanto a Via Láctea hoje, embora tenham se formado menos de 1 bilhão de anos após o Big Bang, sugerindo que elas deveriam ser menos massivas.
No entanto, as implicações contra o modelo cosmológico são menos claras neste caso, pois pode haver outras explicações possíveis para esses resultados surpreendentes. A chave para resolver esse problema é melhorar a medição das massas estelares nas galáxias. Em vez de medi-las diretamente, o que não é possível, inferimos essas massas a partir da luz emitida pelas galáxias.
Esta etapa envolve algumas suposições simplificadoras, que podem se traduzir em superestimação da massa. Recentemente, alguns argumentaram que parte da luz atribuída às estrelas nessas galáxias é gerada por buracos negros poderosos. Isso implicaria que essas galáxias podem não ser tão massivas, afinal.
Teorias alternativas da cosmologia:
Então, onde estamos agora? Algumas tensões podem em breve ser explicadas por mais e melhores observações. Mas ainda não está claro se haverá uma resolução para todos os desafios que atacam o modelo cosmológico.
Não faltaram ideias teóricas sobre como consertar o modelo. Talvez muitas, na faixa de algumas centenas e contando. Essa é uma tarefa desconcertante para qualquer teórico que queira explorá-las todas.
As possibilidades são muitas. Talvez precisemos mudar nossas suposições sobre a natureza da energia escura. Talvez seja um parâmetro que varia com o tempo, o que algumas medições recentes sugeriram. Ou talvez precisemos adicionar mais energia escura ao modelo para impulsionar a expansão do universo nos primeiros tempos ou, ao contrário, nos últimos tempos. Modificar como a gravidade se comporta em grandes escalas do universo (diferentemente do que é feito nos modelos chamados Dinâmica Newtoniana Modificada, ou MOND) também pode ser uma opção.
Até agora, no entanto, nenhuma dessas alternativas pode explicar a vasta gama de observações que o modelo padrão pode. Ainda mais preocupante é que alguns deles podem ajudar com uma tensão, mas piorar outras.
Publicado em 25/09/2024 23h26
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