As teorias da gravidade modificadas nunca foram capazes de descrever a primeira luz do universo. Uma nova formulação faz.
Por décadas, um bando de teóricos rebeldes travou guerra com um dos principais conceitos da cosmologia – a idéia de que uma forma invisível e intangível de matéria forma a estrutura principal do universo. Essa matéria escura, que parece compensar as coisas de que somos feitos de 5 para 1, é responsável por uma série de observações: a forte coesão de galáxias e pacotes de galáxias, a maneira como a luz de galáxias distantes se inclina a caminho de telescópios terrestres e a estrutura manchada do universo primitivo, para citar alguns.
Os futuros revolucionários buscam uma receita cósmica alternativa. No lugar da matéria escura, eles substituem uma força de gravidade sutilmente modificada. Mas as tentativas de traduzir sua idéia aproximada em linguagem matemática precisa sempre se deparam com pelo menos uma observação importante. Algumas formulações acertam as galáxias, outras acertam a contorção dos raios de luz, mas nenhuma perfurou a evidência mais à prova de balas da matéria escura: mapas precisos da luz antiga, conhecida como fundo cósmico de microondas (CMB). “Uma teoria deve se sair muito bem para concordar com esses dados”, disse Ruth Durrer, cosmologista da Universidade de Genebra. “Este é o gargalo.”
Agora, dois teóricos dizem que finalmente adotaram uma teoria alternativa da gravidade além desse obstáculo. Seu trabalho, publicado online no final de junho e ainda não passou pela revisão por pares, usa uma versão aprimorada da teoria da gravidade de Einstein para reproduzir um mapa icônico do universo primitivo, um feito que até alguns rebeldes temiam ser impossíveis. “Há 15 anos estamos mortos na água”, disse Stacy McGaugh, astrônoma da Case Western Reserve University e advogada de longa data das teorias de gravidade modificada que não participou da pesquisa. “É um grande salto em frente.”
Outros concordam que os resultados preliminares do modelo parecem promissores. “É um pouco barroco, mas como nada funcionou até agora, ainda estou impressionado que pareça funcionar”, disse Durrer.
A maioria dos cosmologistas ainda prefere a matéria escura como o mais simples dos dois paradigmas, mas eles concordam que a nova teoria pode ser intrigante – se puder realmente corresponder a observações cosmológicas adicionais. “Isso seria uma grande barreira”, disse Dan Hooper, astrofísico da Universidade de Chicago. “Isso seria bem interessante.”
Rosqueando a Agulha
Os desafios para as teorias alternativas da gravidade, conhecidos coletivamente como dinâmica newtoniana modificada ou MOND, foram apresentados em uma pré-impressão separada, publicada coincidentemente no dia seguinte ao surgimento do novo modelo. O principal deles é a reformulação do papel principal que a matéria escura desempenha no desenho do universo, conforme descrito por um modelo cosmológico bem conhecido, conhecido como matéria escura escura (LCDM) da Lambda.
Simplificando, o LCDM diz que não estaríamos aqui sem matéria escura. O universo infantil era tão suave que a atração gravitacional da matéria comum por si só não seria suficiente para reunir partículas em galáxias, estrelas e planetas. Digite partículas de matéria escura. O LCDM usa sua massa coletiva para esculpir a matéria normal nas modernas estruturas cósmicas estudadas pelos astrônomos.
O LCDM tornou-se o modelo padrão de cosmologia em parte porque concorda com o CMB com tanta precisão. Este mapa do universo primitivo mostra pontos quase imperceptivelmente grossos e finos ondulando pelo cosmos. Mais recentemente, os pesquisadores conseguiram medir a orientação ou polarização da luz da CMB com mais precisão. Qualquer cosmologia de sucesso precisará estabelecer uma história abrangente do cosmos, reproduzindo essas três observações: a temperatura da CMB, a polarização da CMB e a atual distribuição de galáxias e aglomerados de galáxias.
Na segunda pré-impressão, Kris Pardo, astrofísico do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, e David Spergel, diretor do Centro de Astrofísica Computacional do Instituto Flatiron, quantificaram quão difícil seria para qualquer teoria alternativa da gravidade competir com uma característica em particular. de LCDM. (A Quanta Magazine é uma publicação editorial independente, patrocinada pela Fundação Simons, que também financia o Flatiron Institute.) Quando zonas mais densas de matéria escura arrastam matéria em direção a elas, eventualmente formando galáxias e estrelas, isso teria caído em grande parte – mas não inteiramente -. as ondulações se movendo inicialmente sobre o assunto. Ao comparar a polarização da CMB com os padrões de matéria de hoje, os cosmologistas podem medir com precisão esse efeito: remanescentes ondulados 100 vezes menores do que as ondulações vistas na CMB persistem hoje.
A recriação desses e de outros recursos sem o ingrediente titular do LCDM, mostrou Spergel, requer o melhor da rosca teórica da agulha. “Não refutamos a existência de todas essas [teorias da gravidade modificada]”, disse ele. “Mas qualquer teoria alternativa precisa passar por esses obstáculos”.
Pó escuro
Tom Złosnik e Constantinos Skordis, teóricos do Instituto da Europa Central de Cosmologia e Física Fundamental, acreditam que fizeram exatamente isso – embora de uma maneira que possa surpreender os céticos e fãs da MOND. Eles conseguiram construir uma teoria da gravidade que contém um ingrediente que age exatamente como uma forma invisível de matéria em escalas cósmicas, obscurecendo a linha entre a matéria escura e os paradigmas MOND.
Sua teoria, apelidada de RelMOND, acrescenta às equações da relatividade geral um campo onipresente que se comporta de maneira diferente em diferentes arenas. Nas maiores escalas, onde o universo se estende visivelmente à medida que se expande, o campo age como matéria invisível. Nesse modo, a que Złosnik se refere como “poeira escura”, o campo poderia ter moldado o universo visível da mesma maneira que a matéria escura. O modelo reproduz fielmente a temperatura da CMB – resultado que a dupla publicou em sua pré-impressão – e Złosnik diz que também pode combinar o espectro de polarização e a distribuição da matéria, embora ainda não tenham publicado essas parcelas.
“[RelMOND] não pode ser pior que o LCDM”, disse Złosnik, porque imita de perto essa teoria para o universo como um todo.
Mas se aproximarmos uma galáxia, onde o tecido do espaço permanece um pouco imóvel, o campo age de maneira fiel às suas raízes MOND: ele se entrelaça com o campo gravitacional padrão, reforçando-o apenas o suficiente para manter uma galáxia unida sem matéria extra. (Os pesquisadores ainda não têm certeza de como o campo atua para aglomerados maiores de galáxias, um ponto perene do MOND, e sugerem que essa escala intermediária pode ser um bom lugar para procurar pistas de observação que possam diferenciar a teoria.)
Apesar da conquista matemática do par, a matéria escura continua sendo a teoria mais simples. A construção do novo campo exige quatro novas partes matemáticas móveis, enquanto o LCDM lida com a matéria escura com apenas uma. Hooper compara a situação a um detetive debatendo se a pessoa em uma cena de assassinato é o assassino ou se foi enquadrada pela CIA. Mesmo que a evidência disponível corresponda às duas teorias, é preciso menos salto.
Mesmo assim, ele não inveja os outros que trabalham no que ele considera uma teoria da conspiração cosmológica. “Estou feliz que as pessoas inteligentes estejam pensando em MOND”, disse ele.
Złosnik espera que a matéria escura seja detectada em breve, mas, enquanto isso, ele vê seu trabalho no MOND mais como um exercício de esticar a relatividade geral até seus limites do que como um ataque total ao establishment cosmológico. Por enquanto, ele está satisfeito por ter ajudado a mostrar que a matemática da gravidade pode acomodar fenômenos mais estranhos do que muitos pensavam.
“Existe o risco de perder algo útil apenas assumindo que não é possível”, disse Złosnik. “Isso pode indicar o caminho para algo um pouco mais bem-sucedido.”
Publicado em 29/07/2020 12h40
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