Como (quase) nada pode resolver as maiores questões da cosmologia | Revista Quanta

Como uma cidade brilhante no meio de um deserto estéril, nossa vizinhança galáctica é envolta por um vazio cósmico – um enorme e quase insondável bolsão de espaço vazio. Recentemente, pesquisas do céu detectaram milhares dessas bolhas vazias. Agora, os pesquisadores encontraram uma maneira de extrair informações desses vazios cósmicos: ao contar quantos deles existem em um volume de espaço, os cientistas criaram uma nova maneira de explorar duas das questões mais espinhosas da cosmologia.

“É a primeira vez que usamos números vazios para extrair informações cosmológicas”, disse Alice Pisani, cosmólogo da Universidade de Princeton e do Flatiron Institute e autor de um nova pré-impressão descrevendo a obra. “Se quisermos ultrapassar os limites da ciência, precisamos ir além do que já foi feito.”

Os pesquisadores têm procurado novas ferramentas em parte porque têm alguns grandes mistérios a resolver. A primeira, e mais desconcertante, é a taxa na qual o universo se expande, um valor conhecido como Constante de Hubble. Por mais de uma década, os cientistas lutaram para reconciliar medições conflitantes dessa taxa, com alguns até chamando o problema de maior crise da cosmologia.

Além disso, os pesquisadores têm medições conflitantes da aglomeração da matéria cósmica - a densidade média de estruturas de grande escala, matéria escura, galáxias, gases e vazios distribuídos por todo o universo em função do tempo.

Normalmente, os astrônomos medem esses valores de duas maneiras complementares. Curiosamente, esses dois métodos produzem valores diferentes tanto para a constante de Hubble quanto para a chamada força de aglomeração de matéria.

Em sua nova abordagem, Pisani e seus colegas usam vazios cósmicos para estimar ambos os valores. E seus primeiros resultados, que parecem concordar muito mais com um dos métodos tradicionais do que com o outro, estão agora contribuindo com suas próprias complexidades para um desacordo já carregado.

“A tensão do Hubble durou uma década até agora porque é um problema difícil”, disse Adam Riess, um astrônomo da Universidade Johns Hopkins que usa supernovas para estimar a constante de Hubble. “As questões óbvias foram verificadas e os dados melhoraram, então o dilema se aprofunda.”

Agora, a esperança é que estudar quase nada pode levar a algo grande.

Construindo bolhas

Vazios são regiões do espaço menos densas que o universo, em média. Seus limites são definidos pelas imensas folhas e filamentos de galáxias que se entrelaçam ao longo do cosmos. Alguns vazios abrangem centenas de milhões de anos-luz e, juntos, essas bolhas representam pelo menos 80% do volume do universo. Durante muito tempo, porém, ninguém prestou muita atenção a eles. “Comecei minha pesquisa em 2011 com cerca de 200 vazios”, disse Pisani. “Mas agora temos cerca de 6,000.”

As bolhas tendem a se expandir porque dentro delas não há muita matéria para exercer uma atração gravitacional para dentro. As coisas fora deles tendem a ficar longe. E quaisquer galáxias que começam dentro de um vazio são puxadas para fora pela atração gravitacional das estruturas que definem a borda de um vazio. Por causa disso, no vazio “acontece muito pouco”, disse Pisani. “Não há fusões, nem astrofísica complicada. Isso os torna muito fáceis de lidar.”

Mas a forma de cada vazio é diferente, o que pode tornar difícil para os cientistas identificá-los. “Queremos garantir que nossos vazios sejam robustos”, disse Pisani. “Quão vazio deve estar e como posso medi-lo?”

Acontece que a definição de “nada” depende do tipo de informação que os astrônomos desejam extrair. Pisani e seus colegas começaram com uma ferramenta matemática chamada diagrama de Voronoi, que identifica as formas que compõem um mosaico 3D. Esses diagramas são normalmente usados ​​para estudar coisas como bolhas em espumas e células em tecidos biológicos.

No trabalho atual, Pisani e seus colegas adaptaram suas tesselações de Voronoi para identificar cerca de 6,000 vazios nos dados de um enorme projeto de mapeamento galáctico chamado de Levantamento Espectroscópico de Oscilação Bariônica (CHEFE).

“Vazios são complementares ao catálogo de galáxias”, disse Benjamim Wandelt, um astrofísico da Universidade de Sorbonne, em Paris, que não participou do estudo. “Eles são uma nova maneira de sondar a estrutura cósmica.”

Assim que Pisani e seus colegas obtiveram seu mapa de vazios, eles partiram para ver o que ele poderia revelar sobre o universo em expansão.

Algo do nada

Todo vazio cósmico é uma janela para um grande conflito cósmico. De um lado, está a energia escura, a força misteriosa que faz com que nosso universo se expanda cada vez mais rapidamente. A energia escura está presente mesmo no espaço vazio, por isso domina a física do vazio. Do outro lado do conflito está a gravidade, que tenta juntar o vazio. E então a aglomeração da matéria adiciona rugas aos vazios.

Pisani e seus colegas, incluindo Sofia Contarini da Universidade de Bolonha, modelou como a expansão do universo afetaria o número de vazios de tamanhos diferentes. Em seu modelo, que manteve um punhado de outros parâmetros cosmológicos constantes, uma taxa de expansão mais lenta produziu uma densidade maior de vazios menores e mais amassados. Por outro lado, se a expansão fosse mais rápida e a matéria não se aglomerasse tão prontamente, eles esperavam encontrar mais vazios grandes e lisos.

O grupo então comparou suas previsões de modelo com observações da pesquisa BOSS. A partir disso, eles foram capazes de estimar tanto a aglomeração quanto a constante de Hubble.

Eles então justapuseram suas medições com as duas formas tradicionais de medir esses valores. O primeiro método usa um tipo de explosão cósmica chamada supernova Tipo Ia. A segunda depende da radiação cósmica de fundo (CMB), a radiação que sobrou do Big Bang.

Os dados vazios revelaram uma constante de Hubble que variou menos de 1% da estimativa do CMB. O resultado da aglomeração foi mais confuso, mas também se alinhou mais de perto com o CMB do que com as supernovas do Tipo Ia.

Surpreendentemente, os vazios na pesquisa do BOSS estão mais próximos no espaço e no tempo das supernovas Tipo Ia mais recentes - tornando um pouco surpreendente que as medições dos vazios se alinhem mais de perto com o CMB primordial. Wandelt, porém, sugeriu que os resultados podem revelar uma nova compreensão sobre o universo.

“Há um insight profundo que me deixa de cabelo em pé”, disse ele. Dentro dos vazios, as estruturas nunca se formaram e evoluíram, então os vazios “são cápsulas do tempo do início do universo”.

Em outras palavras, se a física do universo primitivo era diferente da física dos dias atuais, os vazios podem tê-la preservado.

O futuro da ausência

Outros acham que é muito cedo para tirar conclusões dos novos resultados.

Mesmo com milhares de vazios, as barras de erro do estudo ainda são muito grandes para dizer algo conclusivo. “Essa análise é extremamente bem feita”, disse Ruth Durrer, um físico teórico da Universidade de Genebra que não participou da pesquisa. Mas, observou Durrer, os resultados ainda não atingiram significância estatística. “Se Alice quer estar no clube das medições constantes de Hubble incrivelmente boas, ela tem que chegar ao limite de 1%, o que é um grande desafio”, disse Durrer.

Pisani disse que considera o trabalho uma prova de conceito. Provavelmente levará mais uma década – e a ajuda de missões futuras, como o Nancy Grace Roman Space Telescope da NASA e o SPHEREx Observatory – para acumular dados vazios suficientes para estar em pé de igualdade com as medições conflitantes de CMB e supernovas Tipo Ia.

Durrer também aponta que talvez esses argumentos – as tentativas de reconciliar as tensões cósmicas – sejam muito barulho por nada, e que as divergências observacionais possam estar apontando para uma realidade que os cientistas não deveriam tentar apagar.

“Os grupos de supernova e CMB estão fazendo medições muito, muito diferentes”, disse ela. “Portanto, pode haver uma nova física que explique por que não deveríamos estar vendo a mesma coisa.”

Nota do editor: Alice Pisani recebe financiamento do Fundação Simons, que também financia esta revista editorialmente independente. As decisões de financiamento da Fundação Simons não têm influência em nossa cobertura. Mais detalhes são disponíveis aqui.