Uma geração de físicos referiu-se à energia escura que permeia o universo como “a constante cosmológica”. Agora, o maior mapa do cosmos até à data sugere que esta energia misteriosa tem mudado ao longo de milhares de milhões de anos.
Os físicos deduziram indícios sutis de que a misteriosa energia “obscura? que leva o universo a se expandir cada vez mais rápido pode estar enfraquecendo ligeiramente com o tempo.
É uma descoberta que tem o potencial de abalar os fundamentos da física.
“Se for verdade, seria a primeira pista real que obteríamos sobre a natureza da energia escura em 25 anos”, disse Adam Riess, astrofísico da Universidade Johns Hopkins que ganhou o Prémio Nobel pela co-descoberta da energia escura em 1998.
novas observações vêm da equipe do Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI), que revelou um mapa do cosmos de escopo sem precedentes, juntamente com uma abundância de medições derivadas do mapa.
Para muitos investigadores, o destaque é um gráfico que mostra que três diferentes combinações de observações insinuam que a influência da energia escura pode ter diminuído ao longo dos eras.
“É possível que estejamos vendo indícios de evolução da energia escura”, disse Dillon Brout, da Universidade de Boston, membro da equipe do DESI.
Pesquisadores dentro e fora da colaboração enfatizam que as evidências não são fortes o suficiente para reivindicar uma descoberta.
As observações favorecem a erosão da energia escura com um tipo de significância estatística mediana que poderia facilmente desaparecer com dados adicionais.
Mas os investigadores também notam que três conjuntos distintos de observações apontam todos na mesma direção intrigante, uma direção que está em desacordo com a imagem padrão da energia escura como a energia intrínseca do vácuo do espaço – a quantidade que Albert Einstein apelidou de “constante cosmológica” devido à sua natureza invariável.
“É emocionante”, disse Sesh Nadathur, cosmólogo da Universidade de Portsmouth que trabalhou na análise do DESI.
“Se a energia escura não for uma constante cosmológica, será uma grande descoberta.” Ascensão da Constante Cosmológica Em 1998, o grupo de Riess, juntamente com outra equipe de astrônomos liderada por Saul Perlmutter, usaram a luz de dezenas de estrelas distantes e moribundas, chamadas supernovas, para iluminar a estrutura do cosmos.
Eles descobriram que a expansão do universo está crescendo mais rapidamente à medida que envelhece.
De acordo com a teoria geral da relatividade de Einstein, qualquer matéria ou energia pode impulsionar a expansão cósmica.
Mas à medida que o espaço se expande, todos os tipos familiares de matéria e energia tornam-se menos densos à medida que se espalham num universo mais espaçoso.
À medida que suas densidades diminuem, a expansão do universo deverá desacelerar, e não acelerar.
Uma substância que não se dilui com a expansão do espaço, entretanto, é o próprio espaço.
Se o vácuo tiver energia própria, então, à medida que mais vácuo (e, portanto, mais energia) for criado, a expansão se acelerará, tal como observaram as equipes de Riess e Perlmutter.
A descoberta da expansão acelerada do universo revelou a presença de uma pequena quantidade de energia associada ao vácuo do espaço – a energia escura.
Convenientemente, Einstein considerou tal possibilidade ao desenvolver a relatividade geral.
Para impedir que a diluição da matéria causasse o colapso do universo, ele imaginou que todo o espaço poderia ser infundido com uma quantidade fixa de energia extra, representada pelo símbolo “, chamada lambda, e referida como constante cosmológica.
A intuição de Einstein revelou-se errada, pois o universo não está equilibrado da forma como ele imaginava.
Mas depois da descoberta de 1998 de que o espaço parece estar empurrando tudo para fora, a sua constante cosmológica regressou e tomou o seu lugar no centro do atual modelo padrão de cosmologia, um conjunto de ingredientes interligados denominado “modelo Lambda CDM”.
“É simples.
É um número.
Tem alguma história que você pode anexar a ela.
É por isso que se acredita que seja constante”, disse Licia Verde, cosmóloga teórica e membro da colaboração DESI.
Agora, uma nova geração de cosmólogos que utilizam uma nova geração de telescópios pode estar a captar os primeiros rumores de uma história mais rica.
Mapeando os céus Um desses telescópios fica em Kitt Peak, no Arizona.
A equipe do DESI equipou o espelho de quatro metros do telescópio com 5.000 fibras robóticas que giram automaticamente em direção aos seus alvos celestes.
A automação permite a coleta de dados extremamente rápida em comparação com o principal levantamento de galáxias anterior, o Sloan Digital Sky Survey (SDSS), que dependia de fibras semelhantes que precisavam ser conectadas manualmente a placas de metal padronizadas.
Numa recente noite recorde, o DESI conseguiu registar a localização de quase 200.000 galáxias.
De maio de 2021 a junho de 2022, as fibras robóticas absorveram fótons que chegaram à Terra vindos de diferentes épocas da história cósmica.
Desde então, os investigadores do DESI transformaram esses dados no mapa cósmico mais detalhado alguma vez feito.
Apresenta a localização precisa de cerca de 6 milhões de galáxias tal como existiam entre cerca de 2 e 12 bilhões de anos atrás (dos 13,8 bilhões de anos de história do Universo).
“DESI é um experimento realmente excelente que produz dados estupendos”, disse Riess.
O segredo do mapeamento preciso do DESI é a sua capacidade de recolher espectros de galáxias – gráficos ricos em dados que registam a intensidade de cada matiz de luz.
Um espectro revela a rapidez com que uma galáxia se afasta de nós e, portanto, em que época da história cósmica a vemos (quanto mais rápido uma galáxia se afasta, mais velha ela é).
Isso permite situar as galáxias umas em relação às outras, mas para calibrar o mapa com as distâncias corretas em relação à Terra – informação essencial para uma reconstrução completa da história cósmica – é preciso algo mais.
Para a colaboração DESI, esse algo era uma colcha de retalhos de ondulações de densidade congelada deixadas para trás pelo universo primitivo.
Durante as primeiras centenas de milhares de anos após o Big Bang, o cosmos era uma sopa quente e espessa composta principalmente de matéria e luz.
A gravidade puxou a matéria para dentro enquanto a luz a empurrou para fora, e a luta desencadeou ondulações de densidade que se espalharam para fora a partir de um punhado de pontos densos iniciais na sopa.
Depois que o universo esfriou e os átomos se formaram, ele se tornou transparente.
A luz fluiu para fora, deixando as ondulações – chamadas oscilações acústicas bariônicas (BAOs) – congeladas no lugar.
O resultado final foi uma série de esferas sobrepostas com conchas ligeiramente mais densas, medindo cerca de bilhões de anos-luz de diâmetro – a distância que os BAOs tiveram tempo de percorrer antes de congelarem.
Essas conchas densas formaram um pouco mais de galáxias do que outros locais, e quando os pesquisadores do DESI mapeiam milhões de galáxias, eles podem detectar vestígios dessas esferas.
As esferas mais próximas parecem maiores do que as distantes, mas como os investigadores do DESI sabem que as esferas são todas do mesmo tamanho, podem dizer a que distância da Terra as galáxias realmente estão e redimensionar o mapa em conformidade.
Para evitar influenciar inconscientemente os seus resultados, os investigadores realizaram uma análise “cega”, trabalhando com medições que tinham sido embaralhadas aleatoriamente para ocultar quaisquer padrões físicos.
Depois, a colaboração reuniu-se no Havai, em Dezembro passado, para decifrar os resultados e ver que tipo de mapa as fibras robóticas de Kitt Peak tinham observado.
Nadathur, que assistia ao vivo pelo Zoom de sua casa no Reino Unido, ficou emocionado quando o mapa foi revelado, porque parecia um pouco estranho.
“Se você tivesse experiência suficiente com dados BAO, poderia ver que seria necessário algo um pouco diferente do modelo padrão”, disse Nadathur.
“Eu sabia que o Lambda CDM não era exatamente o cenário completo.” Na semana seguinte, enquanto os pesquisadores vasculhavam o novo conjunto de dados, analisando-o e misturando-o com outros grandes conjuntos de dados cosmológicos, eles descobriram a origem da estranheza e trocaram uma enxurrada de mensagens no Slack.
“Um dos meus colegas postou um gráfico mostrando essa restrição da energia escura e não escreveu nenhuma palavra.
Apenas o enredo e um emoji de cabeça explodindo”, disse Nadathur.
O Data for Days DESI visa determinar como o universo se expandiu ao longo do tempo, observando diferentes tipos de galáxias conforme surgiram durante sete épocas da história cosmológica.
Eles então veem quão bem esses sete instantâneos se alinham com a evolução prevista pelo Lambda CDM.
Eles também consideram o desempenho de outras teorias – como as teorias que permitem que a energia escura varie entre instantâneos.
Somente com o primeiro ano de dados DESI, o Lambda CDM se ajusta aos instantâneos quase tão bem quanto um modelo variável de matéria escura.
Só quando a colaboração combina o mapa DESI com outros instantâneos – luz conhecida como radiação cósmica de fundo em micro-ondas e uma série de três mapas recentes de supernovas – é que as duas teorias começam a se afastar.
Eles descobriram que os resultados variaram da previsão do Lambda CDM em 2,5, 3,5 ou 3,9 “sigmas”, dependendo de qual dos três catálogos de supernovas incluíam.
Imagine jogar uma moeda 100 vezes.
A previsão para uma moeda justa é de 50 caras e 50 coroas.
Se você obtiver 60 caras, isso estará a dois sigma da média; as chances de isso acontecer por acaso (em oposição à moeda ser fraudada) são de 1 em 20.
Se você obtiver 75 caras – o que tem uma chance de 1 em 2 milhões de acontecer aleatoriamente – esse é um resultado de cinco sigma, o padrão ouro para reivindicar uma descoberta na física.
Os valores sigma obtidos pelo DESI ficam em algum ponto intermediário; podem ser flutuações estatísticas raras ou provas reais de que a energia escura está mudando.
Embora os pesquisadores considerem esses números tentadores, eles também alertam contra a leitura excessiva dos valores mais elevados.
O universo é muito mais complicado do que uma moeda, e as significâncias estatísticas dependem de suposições sutis na análise dos dados.
Uma razão mais forte para entusiasmo é o fato de todos os três catálogos de supernovas – que abrangem populações de supernovas um tanto independentes – sugerirem que a energia escura está a variar da mesma forma: o seu poder está a diminuir ou, como dizem os cosmólogos, está a “descongelar”.
“Quando trocamos todos esses conjuntos de dados complementares, todos eles tendem a convergir para este número ligeiramente negativo”, disse Brout.
Se a discrepância fosse aleatória, seria mais provável que os conjuntos de dados apontassem em direções diferentes.
Joshua Frieman, cosmólogo da Universidade de Chicago e membro da colaboração DESI que não trabalhou na análise de dados, disse que ficaria feliz em ver a queda do Lambda CDM.
Como teórico, ele propôs teorias sobre o degelo da energia escura na década de 1990 e, mais recentemente, foi cofundador do Dark Energy Survey – um projeto que procurou desvios do Modelo Padrão de 2013 a 2019 e criou um dos três catálogos de supernovas DESI.
usado.
Mas ele também se lembra de ter sido queimado pelo desaparecimento de anomalias cosmológicas no passado.
“Minha reação a isso é ficar intrigado”, mas “até que os erros diminuam, não escreverei meu discurso de aceitação [do Nobel]”, brincou Frieman.
“Estatisticamente falando, pode desaparecer”, disse Brout sobre a discrepância com o modelo Lambda CDM.
“Agora estamos fazendo tudo para descobrir se isso acontecerá.” Depois de encerrar o seu terceiro ano de observações no início desta semana, os investigadores do DESI esperam que o seu próximo mapa contenha quase o dobro do número de galáxias do mapa revelado.
E agora que eles têm mais experiência na análise BAO, eles planejam publicar rapidamente o mapa atualizado de três anos.
A seguir vem um mapa de cinco anos de 40 milhões de galáxias.
Além do DESI, uma série de novos instrumentos estarão online nos próximos anos, incluindo o Observatório Vera Rubin de 8,4 metros no Chile, o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA e a missão Euclid da Agência Espacial Europeia.
“Nossos dados em cosmologia deram saltos enormes nos últimos 25 anos e estão prestes a dar saltos ainda maiores”, disse Frieman.
À medida que acumulam novas observações, os investigadores podem continuar a descobrir que a energia escura parece tão constante como tem sido durante uma geração.
Ou, se a tendência continuar na direção sugerida pelos resultados do DESI, poderá mudar tudo.
Nova Física Se a energia escura está enfraquecendo, não pode ser uma constante cosmológica.
Em vez disso, pode ser o mesmo tipo de campo que muitos cosmólogos pensam que desencadeou um momento de expansão exponencial durante o nascimento do Universo.
Este tipo de “campo escalar? poderia preencher o espaço com uma quantidade de energia que inicialmente parece constante – como a constante cosmológica – mas que eventualmente começa a diminuir com o tempo.
“A ideia de que a energia escura varia é muito natural”, disse Paul Steinhardt, cosmólogo da Universidade de Princeton.
Caso contrário, continuou ele, “seria a única forma de energia que conhecemos que é absolutamente constante no espaço e no tempo”.
Mas essa variabilidade provocaria uma profunda mudança de paradigma: não estaríamos vivendo num vácuo, que é definido como o estado de energia mais baixa do universo.
Em vez disso, habitaríamos um estado energizado que deslizaria lentamente em direção a um verdadeiro vácuo.
“Estamos acostumados a pensar que vivemos no vácuo”, disse Steinhardt, “mas ninguém prometeu isso”.
O destino do cosmos dependeria da rapidez com que o número anteriormente conhecido como constante cosmológica declinasse e até onde ele poderia ir.
Se chegar a zero, a aceleração cósmica pararia.
Se cair suficientemente abaixo de zero, a expansão do espaço transformar-se-ia numa contracção lenta – o tipo de inversão necessária para teorias cíclicas da cosmologia, como as desenvolvidas por Steinhardt.
Os teóricos das cordas compartilham uma perspectiva semelhante.
Com a proposta de que tudo se resume à vibração das cordas, eles podem tecer universos com diferentes números de dimensões e todo tipo de partículas e forças exóticas.
Mas eles não podem construir facilmente um universo que mantenha permanentemente uma energia positiva estável, como o nosso universo parece fazer.
Em vez disso, na teoria das cordas, a energia deve cair suavemente ao longo de milhares de milhões de anos ou cair violentamente para zero ou para um valor negativo.
“Essencialmente, todos os teóricos das cordas acreditam que é uma coisa ou outra.
Não sabemos qual”, disse Cumrun Vafa, da Universidade de Harvard.
Evidências observacionais de um declínio gradual da energia escura seriam uma vantagem para o cenário de queda suave.
“Isso seria incrível.
Seria a descoberta mais importante desde a descoberta da própria energia escura”, disse Vafa.
Mas, por enquanto, tais especulações estão enraizadas na análise do DESI apenas de formas mais vagas.
Os cosmólogos terão de observar muitos milhões de galáxias a mais antes de pensarem seriamente em revolução.
“Se isto se mantiver, poderá iluminar o caminho para uma compreensão nova e potencialmente mais profunda do universo”, disse Riess.
“Os próximos anos devem ser muito reveladores.”
Publicado em 06/04/2024 09h33
Artigo original:
- https://www.quantamagazine.org/dark-energy-may-be-weakening-major-astrophysics-study-finds-20240404/