O modelo padrão de cosmologia pode precisar ser reescrito.
Duas maneiras completamente diferentes de “pesar” o cosmos estão produzindo resultados díspares. Se medidas mais precisas falharem em resolver a discrepância, os físicos talvez precisem revisar o modelo padrão de cosmologia, nossa melhor descrição do universo.
“Se esse é realmente um vislumbre do modelo padrão, isso seria potencialmente revolucionário”, diz o astrônomo Hendrik Hildebrandt, da Universidade Ruhr Bochum, na Alemanha.
Preocupações semelhantes sobre a correção do modelo padrão foram levantadas nos últimos anos por dois cálculos independentes da chamada constante de Hubble, ou a taxa na qual o universo está se expandindo hoje. Essas duas medidas também discordaram, criando o que foi chamado de tensão de Hubble.
A nova discrepância – chamada tensão sigma-oito – envolve medir a densidade da matéria no universo e o grau em que ela é agrupada, em vez de ser distribuída uniformemente. O resultado é encapsulado em um parâmetro chamado sigma-eight. Para calcular o sigma-oito, Hildebrandt e seus colegas adotaram um efeito chamado lente gravitacional fraca, em que a luz de galáxias distantes é levemente inclinada em direção aos nossos telescópios por causa da atração gravitacional da matéria que fica entre as galáxias e a Terra.
A distorção resultante é tão pequena que mal muda a forma de uma galáxia individual. Mas se você medir em média as formas de dezenas de milhares de galáxias em um pedaço do céu, um sinal de lentes fracas aparece. Presumindo que as galáxias devam ser orientadas aleatoriamente em relação à Terra, sua forma média deve ser quase circular – sem lentes fracas, ou seja. Mas, graças às leves distorções desse efeito, a forma média se volta para o elíptico.
Os astrônomos usaram esse sinal para estimar a quantidade e a distribuição da matéria intermediária (variedades normais e escuras) ao longo das linhas de visão para várias regiões ricas em galáxias em um grande pedaço do céu. Em outras palavras, eles conseguiram medir a densidade cósmica da matéria.
Mas fazer isso com precisão exige mais uma informação: a distância de cada galáxia individual sendo estudada. Normalmente, os astrônomos calculam a distância de outra galáxia encontrando seu desvio espectroscópico para o vermelho – a quantidade pela qual a luz da galáxia é deslocada para os comprimentos de onda mais longos do lado vermelho do espectro. Quanto maior o desvio para o vermelho, mais distante o objeto.
Medir desvios espectroscópicos individuais de vermelho, no entanto, é extremamente ineficiente ao lidar com milhões de galáxias. Então, a equipe de Hildebrandt se voltou para algo chamado desvio para o vermelho fotométrico, que envolve tirar várias imagens do mesmo trecho de céu em diferentes comprimentos de onda, abrangendo os intervalos óptico e infravermelho próximo. Os pesquisadores usaram essas imagens para estimar o desvio para o vermelho das galáxias individuais em cada uma. “Eles não são tão bons quanto o desvio para o vermelho espectroscópico tradicional”, diz Hildebrandt. “Mas eles são muito mais eficientes em termos de tempo do telescópio”.
Para toda a análise, a equipe usou imagens de alta resolução de centenas de graus quadrados do céu (a lua cheia tem cerca de meio grau de diâmetro) em nove faixas de comprimento de onda – quatro ópticas e cinco infravermelho próximo. Essas observações de cerca de 15 milhões de galáxias foram coletadas pela Pesquisa de Quilo-Grau do Observatório Europeu do Sul (KiDS) e pela Pesquisa de galáxia infravermelha de quilo-grau VISTA (VIKING) usando dois pequenos telescópios no Observatório Paranal da organização no Chile.
Os dados do VIKING reforçaram o conjunto de dados do KiDS, fornecendo várias observações da mesma região do céu em comprimentos de onda no infravermelho próximo. Quanto maiores as distâncias de uma galáxia, maior a velocidade com que ela se afasta de nós. Isso faz com que mais da luz de uma galáxia seja desviada para o infravermelho próximo, de modo que depender apenas de observações ópticas não é suficiente. As medições por infravermelho capturam uma quantidade maior de luz de tais galáxias, levando a melhores estimativas de seu desvio fotométrico para o vermelho.
Para garantir que os desvios fotométricos para o vermelho sejam tão precisos quanto possível, essas observações foram calibradas contra as medidas espectroscópicas do desvio para o vermelho de algumas das mesmas galáxias feitas com o Very Large Telescope de 8 metros em Paranal e os telescópios Keck de 10 metros em Mauna Kea em Havaí.
O astrofísico e ganhador do Nobel Adam Riess, da Johns Hopkins University, aprova os esforços dos pesquisadores do KiDS. “Seus resultados mais recentes usam dados infravermelhos, o que provavelmente faz um trabalho melhor em rastrear a massa das lentes e obter redshifts fotométricos confiáveis”, diz ele.
Os astrônomos estimaram o sigma-oito com base nos dados combinados, cobrindo cerca de 350 graus quadrados do céu. O valor encontrado foi conflitante com um número sigma-oito calculado usando as observações do satélite Planck da Agência Espacial Européia sobre o fundo cósmico de microondas (CMB) – a primeira luz observável no universo, que foi emitida cerca de 380.000 anos após o big bang. Planck mapeou as variações na temperatura e polarização do CMB de ponto a ponto no céu. Os cosmologistas podem empregar o mapa para calcular o valor sigma-oito para o universo primitivo. Usando o modelo padrão de cosmologia (que diz que o cosmos é composto por cerca de 5% da matéria comum, 27% da matéria escura e 68% da energia escura), eles podem extrapolar em mais de 13 bilhões de anos de evolução cósmica para estimar o presente. valor do dia para sigma-oito.
Aqui reside a tensão. O estudo de lentes fracas de Hildebrandt estima que o sigma-oito seja cerca de 0,74, enquanto os dados de Planck fornecem um valor de cerca de 0,81. “Há cerca de 1% de chance de que essa [tensão] seja uma flutuação estatística”, diz Hildebrandt. As flutuações estatísticas são ruídos aleatórios nos dados que podem imitar sinais reais e podem desaparecer com mais dados. “Isso não é algo para perder completamente o sono.”
Ainda não, de qualquer maneira. Também é possível que ocorra um erro sistemático nos cálculos de uma ou de ambas as equipes. Depois que os pesquisadores identificam esses erros, a discrepância pode desaparecer.
Ou talvez não, o que tem acontecido com a tensão do Hubble. À medida que as medidas astronômicas se tornam mais precisas, a significância estatística da tensão do Hubble apenas aumentou, causando noites sem dormir a mais de alguns teóricos ansiosos. “Algo muito semelhante pode acontecer com a discrepância do sigma-oito”, diz Hildebrandt. “Nós não sabemos.”
Riess, que lidera uma das equipes que estima a constante do Hubble usando medidas de supernovas no universo próximo, compara a tensão sigma-oito a um “irmãozinho ou irmã da tensão do Hubble”. Essa discrepância agora é considerada estatisticamente significante, com menos de uma em 3,5 milhões de chances de ser um acaso. A tensão sigma-oito, com sua chance de uma em 100 de ser uma aberração estatística, é onde a tensão de Hubble estava há alguns anos atrás. “Portanto, é menos significativo, mas vale a pena ficar de olho em uma possível conexão”, diz Riess.
Se a tensão sigma-oito subir para o mesmo nível de relevância estatística que a tensão de Hubble, a pressão para reavaliar o modelo padrão de cosmologia poderá se tornar enorme demais para ignorar. Nesse ponto, os cosmologistas podem ser forçados a invocar uma nova física para alinhar as estimativas de Planck às medidas diretas dos parâmetros do universo atual. “Essa será a alternativa emocionante”, diz Hildebrandt.
Potenciais “novas físicas” para o modelo padrão podem envolver a alteração da natureza e da energia escura ou da matéria escura – ou de ambas -, bem como ajustes na forma como eles interagem entre si e com a matéria normal, entre outras modificações mais exóticas. “Algumas soluções teóricas para mexer com o modelo cosmológico para corrigir a tensão constante do Hubble tornam essa [tensão sigma-oito] pior. Algumas a tornam melhor”, diz Riess.
Hildebrandt concorda que não há solução óbvia à vista. “Se houvesse um modelo atraente, talvez as pessoas entrassem nessa onda”, diz ele. “Mas, no momento, acho que não existe. É realmente para nós, observadores, melhorar o significado [da tensão sigma-oito] ou refutá-la”.
Publicado em 14/05/2020 21h43
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