Um pilar central da cosmologia – o universo é o mesmo em todos os lugares e em todas as direções – está sobrevivendo a uma tempestade de possíveis evidências contra ele.
A última tentativa de abalar os fundamentos da cosmologia apareceu como um punhado de pontos puxados para cima em um sorriso cósmico. O arco de galáxias distantes, que Alexia Lopez apresentou na reunião da Sociedade Astronômica Americana em junho, se espalha tão longe no céu que levaria 20 luas cheias para escondê-lo. Abrangendo cerca de 3,3 bilhões de anos-luz de espaço, a estrutura em forma de sorriso se juntou a um clube controverso: coisas inesperadamente grandes.
“É tão grande que é difícil explicar com nossas crenças atuais”, disse Lopez, um dos astrofísicos da University of Central Lancashire que identificou a cadeia de galáxias, durante a apresentação.
O “Arco Gigante” de Lopez parecia colidir com uma ideia que guiou a astronomia por séculos: que o universo não tem características conspícuas. De uma perspectiva reduzida, não importa onde você esteja ou para onde olhe, você deverá ver aproximadamente o mesmo número de galáxias girando ao redor.
Essa suposição, consagrada como o “princípio cosmológico”, permitiu que os pesquisadores tirassem conclusões abrangentes sobre todo o universo com base apenas no que vemos do nosso canto.
“Se isso estiver errado, teremos que refazer muitas de nossas medições ou reinterpretar muitas de nossas medições”, disse Ruth Durrer, cosmologista da Universidade de Genebra.
Como um suporte de carga da cosmologia moderna, o princípio cosmológico tem se tornado cada vez mais um alvo. Alguns desafiadores, como Lopez e seus colegas, são astrofísicos intrigados com impressionantes conglomerados celestes. Outros são cosmologistas independentes, perturbados pela visão consensual de que a maioria das coisas no cosmos se esconde de nossos instrumentos na forma de “matéria escura” e “energia escura”; eles se perguntam se os teóricos podem ter conjurado fantasmas para remendar uma teoria da cosmologia excessivamente simplista.
Quase todos concordam que vale a pena examinar o princípio cosmológico. Até agora, porém, cada nova afirmação de uma estrutura muito grande ou outra anomalia não conseguiu fazer uma diferença. Estamos “tentando fazer o máximo de buracos que pudermos”, disse Seshadri Nadathur, cosmologista da University College London, “ao mesmo tempo em que somos muito céticos em relação a alguém dizendo que eles fizeram isso”.
De Copérnico a Einstein
O princípio cosmológico surgiu do princípio de Copérnico, a realização de Nicolaus Copernicus em 1543 de que a Terra não é o centro fixo da criação. Sua percepção de que a Terra orbita o Sol, e não o contrário, desencadeou uma série de mudanças humilhantes de perspectiva. Os astrônomos provaram em 1800 que o Sol é apenas uma estrela normal. No século seguinte, eles avistaram inúmeras galáxias além da nossa.
“Não somos especiais”, disse Andrew Howell, cosmologista do Observatório Las Cumbres e da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara. “O universo continua nos dizendo isso.”
Não apenas a Terra não é especial, mas nada em nenhum lugar é especial. Ao longo do século passado, as pesquisas astronômicas solidificaram o que se tornou conhecido como princípio cosmológico de duas maneiras. À medida que telescópios poderosos perscrutavam mais profundamente na escuridão, eles viram galáxias mais distantes aparecendo em números semelhantes. Isso sugere que o cosmos é homogêneo, com matéria polvilhada suavemente por toda parte. (Pense no universo em expansão como um bolo de frutas em ascensão com galáxias uniformemente distribuídas como pedaços de frutas, cada uma voando para longe de seus vizinhos conforme a massa entre eles se expande.)
Além disso, os telescópios apontados em direções diferentes viram cenas semelhantes. A matéria é uniformemente distribuída ao longo de cada linha de visão, indicando que o universo é “isotrópico”.
A homogeneidade e a isotropia do cosmos tornam a análise simples o suficiente.
Os teóricos reconstroem o passado do cosmos e predizem seu futuro usando um modelo teórico padrão baseado em grande parte na relatividade geral, a teoria da gravidade de Albert Einstein. A teoria de Einstein descreve a interação entre matéria e espaço-tempo – a estrutura flexível do universo. Mas o tratamento de Einstein envolve 10 equações interligadas e 20 variáveis, um sistema de equações que geralmente é muito complicado de resolver.
Os cosmologistas se apóiam no princípio cosmológico para restringir seu foco a um universo que atua como um fluido suave e simétrico. Ao ignorar saliências de matéria como galáxias e exigir que o universo se expanda da mesma maneira ao longo dos três eixos, o princípio cosmológico exclui partes das equações e vincula algumas das variáveis, simplificando drasticamente o sistema de equações. Os teóricos podem então prever a velocidade e aceleração da expansão do cosmos com apenas duas equações – as equações de Friedmann, derivadas de Einstein por Alexander Friedmann, um cosmólogo russo, em 1922. É um pouco como calcular o volume da Terra: você pode se preocupar com todas as montanhas e ravinas, ou você poderia assumir que o planeta é uma esfera e encerrar o dia.
À medida que os astrônomos mapeiam o universo com mais precisão, no entanto, alguns pesquisadores começaram a se perguntar se o campo levou o princípio cosmológico longe demais. Afinal, a Terra não é uma esfera – ela se projeta no equador. Da mesma forma, grandes estruturas ou recursos desequilibrados podem minar as conclusões sobre a idade, comportamento e composição do universo.
Thomas Buchert, cosmólogo da Universidade Claude Bernard de Lyon 1, na França, está entre aqueles que se convenceram de que é hora de ir além do universo monótono de Friedmann. “É estranho que ainda esteja vivo, este modelo padrão”, disse ele.
Galáxias em todos os lugares
O Arco Gigante e outras estruturas gigantescas atingem o primeiro pilar do princípio cosmológico: a homogeneidade.
O universo claramente não é homogêneo na escala humana. Teleporte uma pessoa a um ano-luz daqui e você vai estragar o dia dela. Mas deixe o Telescópio Espacial Hubble meio caminho através do universo, e ele retornará imagens familiares cheias de galáxias. Dessa forma, o princípio cosmológico trata o cosmos como o ar em um balão inflável. De perto, as moléculas se misturam de maneiras complicadas. Mas, de longe, um gás brando se expande com propriedades volumosas, como pressão e temperatura, que mudam constantemente.
Levantamentos de galáxias descobriram que qualquer pedaço de espaço maior do que centenas de milhões de anos-luz de diâmetro inclui aproximadamente a mesma quantidade de matéria. Portanto, estruturas como o Arco Gigante, que se estende por bilhões de anos-luz, são tão inesperadas quanto um grosso coágulo de ar em um balão comum.
Cortesia de Ruth Durrer
Uma das primeiras dessas estruturas foi identificada em 2013: um agrupamento putativo de núcleos de galáxias brilhantes conhecido como quasares distribuídos por 4 bilhões de anos-luz que, escreveram seus descobridores, “desafia a suposição do princípio cosmológico”.
Poucos outros ficaram convencidos. Nadathur, o cosmologista da UCL, começou a ver se a aleatoriedade por si só poderia criar a ilusão de megaestruturas. Ele simulou universos digitais que tinham galáxias espalhadas completamente ao acaso. No entanto, quando ele lançou um programa de caça a agrupamentos nas simulações suaves, ele identificou padrões tão grandes quanto o grupo de quasares puramente por acaso. Universos de modelo padrão simulado (nos quais a gravidade juntou as galáxias em grupos) conteriam agrupamentos de galáxias ainda maiores. O trabalho de Nadathur sugeriu que o princípio cosmológico tem muito espaço para o grupo de quasares, o Arco Gigante e outros de sua laia. Estruturas enormes serão raras, disse ele, mas o modelo padrão “não diz que a probabilidade é zero em qualquer escala.”
Uma observação mais convincente da falta de homogeneidade, de acordo com Nadathur, seria a descoberta de que a matéria mantém alguma protuberância quando você olha para escalas cada vez maiores. Mas os estudos até agora descobriram que, à medida que você se afasta, o universo fica cada vez mais suave.
Durrer e outros cosmologistas concordam que estruturas aparentemente impossíveis podem provavelmente ser explicadas por estatísticas enfadonhas. “Se você fizer muitas, muitas observações, terá algumas delas que não são estatisticamente muito prováveis”, disse ela. “Não estou muito preocupado com isso.”
Universo sem direção
Mesmo que o universo seja homogêneo, ele ainda pode selecionar uma direção para algo especial – uma “anisotropia”. Em tal cosmos, grandes fluxos de matéria podem fluir nessa direção como uma brisa. Alguns cosmologistas acham que isso pode estar acontecendo.
Fortes evidências contra qualquer tipo de fluxo cósmico vêm do pós-brilho do Big Bang. Os astrônomos determinaram que esta “radiação cósmica de fundo” (CMB) tem uma temperatura média essencialmente idêntica de 2,725 graus acima do zero absoluto em todas as direções.
Mas, para calcular essa temperatura, os pesquisadores corrigiram um ligeiro desequilíbrio: o CMB parece uma fração de grau mais quente na direção da constelação de Aquário e uma fração de grau mais frio na direção oposta.
Quase todos os cosmologistas interpretam esta observação como resultante do próprio movimento do nosso sistema solar, conhecido como nossa “velocidade peculiar”. O sol orbita o centro da Via Láctea e a Via Láctea se move em direção às galáxias próximas, de modo que nosso sistema solar flutua contra o fundo do CMB a cerca de 300 quilômetros por segundo, distorcendo as microondas que chegam. Essa deriva local não é vista como um problema para o princípio cosmológico.
Mas nossa velocidade peculiar pode não explicar totalmente a percepção de desigualdade da CMB; a distorção também pode incluir o efeito da deriva de todo o universo. Se for esse o caso, medir nosso movimento em comparação com galáxias distantes dará um resultado diferente do que se medirmos nossa velocidade em relação ao CMB, uma vez que essas galáxias também estarão se movendo. Imagine fazer um passeio de trem e medir sua velocidade em comparação com uma cordilheira e com as nuvens no horizonte. Se as velocidades não forem iguais, as nuvens devem estar correndo sobre as montanhas.
Várias equipes tentaram tais medições em galáxias distantes e encontraram estranhezas aparentes. Em um esforço recente, os pesquisadores calcularam nosso movimento em relação a mais de 1 milhão de quasares distantes. Eles observaram uma distorção óptica alinhada com o desequilíbrio na CMB, mas duas vezes maior. Uma interpretação é que a Terra se move em torno de 600 quilômetros por segundo em relação aos quasares, o que implica que os quasares podem estar se movendo contra o CMB.
Subir Sarkar, cosmólogo da Universidade de Oxford e membro do grupo que fez o cálculo, chamou a discrepância de ‘golpe corporal’ no modelo padrão e sua suposição de um universo isotrópico. Ele apontou para a especulação de que alguma nuvem gigante de matéria fica fora do universo observável e arrasta tudo em sua direção. (Só podemos observar o volume esférico do universo cuja luz teve tempo de nos alcançar desde o Big Bang.) “Não sabemos o que está fora, e há muito fora”, disse Sarkar. “Talvez haja um monstro espreitando lá.” Isso derrubaria a teoria principal dos primeiros momentos do cosmos, que mantém aquele espaço exponencialmente inflado, tornando-se liso e plano muito além do nosso patch observável.
A maioria dos cosmologistas permanece cética de que os quasares provem um universo desequilibrado. Vários pesquisadores entrevistados para este artigo disseram que vários desafios técnicos, como a distribuição desigual dos quasares, tornam difícil comparar os quasares com o CMB. “Esses estudos são muito difíceis de fazer”, disse Tamara Davis, astrofísica da Universidade de Queensland, na Austrália.
Durrer considera a evidência do quasar inconclusiva e diz que está mantendo a mente aberta. Ela recentemente desenvolveu um teste alternativo que combina várias maneiras como nosso movimento ajustaria a aparência de galáxias distantes. Ela e seus colegas calcularam que, usando sua técnica, os observatórios de próxima geração serão capazes de captar velocidades peculiares com apenas alguns pontos percentuais, permitindo testes precisos de isotropia e do princípio cosmológico nesta década. Eles publicaram sua nova abordagem no início de novembro.
“Isso nós seremos capazes de resolver”, disse Durrer.
Fugindo do fundo
Para acompanhar as observações mais nítidas do universo, muitos teóricos, em seus cálculos de modelo padrão, incorporam ondulações modestas de matéria em um fluido suave, semelhante a melhorar uma estimativa do volume da Terra, incluindo uma variedade de cadeias de montanhas. “Você torna a vida mais complicada de novo, mas adiciona as complicações de uma forma controlada”, disse Nadathur.
Mas alguns, como Buchert, o cosmologista francês, querem um afastamento mais completo da suposição de que o universo é o mesmo em todos os lugares. Para tanto, Buchert passou décadas desenvolvendo um modelo cosmológico “sem fundo”.
A teoria da relatividade geral de Einstein demoliu a noção clássica de fundo – um estágio fixo contra o qual se pode medir distâncias e movimentos. Em vez disso, ele diz que curvas de espaço-tempo em torno da matéria como cortinas de teatro balançando após os atores passarem, às vezes tornando a ação da peça difícil de acompanhar. O modelo padrão permite que o espaço-tempo se curve um pouco, mas usa o princípio cosmológico para manter as curvas pequenas e a taxa de expansão uniforme. Dessa forma, restaura a noção de pano de fundo para viabilizar os cálculos.
O trabalho de Buchert acaba com o pano de fundo universal. Em vez disso, ele divide o cosmos em grandes pedaços e calcula a média da quantidade de matéria (e a curvatura resultante do espaço-tempo) em cada região. Ele então trata a média como um pano de fundo local contra o qual interpretar quaisquer eventos que ocorram dentro daquele pedaço – uma abordagem que apresentou um resultado inesperado.
Em 1998, astrofísicos observando supernovas distantes determinaram que o universo parece estar se expandindo mais rápido com o passar do tempo. Sua observação ganhadora do Prêmio Nobel implica que alguma energia repulsiva, chamada de energia escura – provavelmente a energia do próprio espaço – está separando as galáxias umas das outras com mais força do que a gravidade pode aproximá-las.
A abordagem livre de fundo de Buchert levantou outra possibilidade. Em comparação com fragmentos pequenos e densos de galáxias, os “vazios” mais vazios no espaço se expandem mais rapidamente, uma vez que têm menos galáxias que se atraem gravitacionalmente e diminuem a velocidade umas das outras. Como as partes vazias crescem mais rápido do que as partes densas, o universo fica mais vazio. E assim sua taxa de expansão geral cresce. Buchert argumenta que esse efeito, chamado de reação reversa, poderia explicar a aceleração cósmica sem a necessidade de energia escura.
Outros cosmologistas concordam que o tratamento sem fundo é matematicamente correto e que a reação reversa é real. Mas é um efeito grande o suficiente para matar a energia escura? Esta pergunta motivou Durrer e seus colegas a fazer uma simulação em grande escala em 2019. Eles prepararam um universo digital povoado com centenas de bilhões de galáxias e calcularam como as diferentes taxas de expansão em vazios e aglomerados de galáxias afetariam os feixes de luz dirigidos a um astrônomo colocado aleatoriamente . Eles descobriram que a reação reversa prejudicaria a medição do astrônomo da taxa de expansão do universo em cerca de 2%. Em outras palavras, o modelo padrão prevê uma expansão acelerada do espaço que parece ser 98% precisa, e a reação reversa luta para explicar a energia escura.
“O consenso agora é que é um pequeno efeito que, no final, não causa muitos problemas”, disse Nadathur.
Mas esses 2% ainda podem ter consequências. Durrer está investigando se a reação reversa pode ajudar a resolver uma crise cosmológica crescente. A crise, conhecida como tensão de Hubble, é que o universo próximo parece se expandir cerca de 9% mais rápido do que o que o modelo padrão prevê para a taxa de expansão geral do universo. Muitas explicações foram sugeridas, incluindo novos ingredientes radicais no cosmos. Mas Buchert argumentou no ano passado que o princípio cosmológico abrangente pode ser o culpado pela aparente discrepância. Em um universo irregular, seria de se esperar que manchas mais vazias se expandissem mais rápido do que a média.
Durrer está simulando os efeitos da reação reversa para calcular as chances de que poderíamos ter pousado no meio de uma seção tão vazia e expansiva do espaço. “Mesmo que [a reação reversa] não seja suficiente para explicar a expansão acelerada, pode ser marginalmente suficiente para resolver a tensão do Hubble”, disse ela, embora não espere que forneça a resposta completa.
Uma localização privilegiada
Se a tensão de Hubble acabar sendo uma miragem parcialmente induzida por uma reação reversa, esse será o primeiro grande exemplo do princípio cosmológico atrapalhando em vez de ajudar nossa compreensão do cosmos. Mas, por enquanto, dizem os pesquisadores, o poder preditivo do princípio parece estar se mantendo muito bem.
“O universo é realmente homogêneo e isotrópico em todos os lugares? Até onde sabemos no momento, sim, é,” disse Nadathur.
Fazer grandes inferências sobre todo o cosmos é difícil porque, afinal, estamos em um local único: o aqui e agora. Os telescópios só podem ver até certo ponto, fazendo parecer que as galáxias estão se esgotando no limite de sua visão. E conforme os astrônomos perscrutam mais longe e mais profundamente no passado, eles vêem galáxias no universo primitivo agindo de forma diferente do que agem hoje. Os artefatos de nossa perspectiva singular são facilmente confundidos com falhas do próprio princípio cosmológico.
“Quase todos os efeitos que podem atrapalhar você funcionam dessa forma”, disse Howell. “É tudo porque temos apenas um ponto de vista do universo para olhar.”
Publicado em 15/12/2021 09h47
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