Assimetria detectada na distribuição das galáxias

Os físicos acreditam ter detectado uma notável assimetria nos arranjos das galáxias no céu. Se confirmada, a descoberta apontaria para características das leis fundamentais desconhecidas que operaram durante o Big Bang.

“Se esse resultado for real, alguém vai ganhar o Prêmio Nobel”, disse Marc Kamionkowski, um físico da Universidade Johns Hopkins que não esteve envolvido na análise.

Como se estivessem jogando um jogo cósmico de Ligue os Pontos, os pesquisadores desenharam linhas entre conjuntos de quatro galáxias, construindo formas de quatro cantos chamadas tetraedros. Quando construíram todos os tetraedros possíveis a partir de um catálogo de 1 milhão de galáxias, descobriram que os tetraedros orientados para um lado superam em número suas imagens no espelho.

Uma dica do desequilíbrio entre os tetraedros e suas imagens espelhadas foi relatado by Oliver Philcox, astrofísico da Universidade de Columbia em Nova York, em artigo publicado na Revisão Física D em setembro. Em uma análise independente conduzida simultaneamente que agora está passando por uma revisão por pares, Jiamin Hou e Zachary Slepian da Universidade da Flórida e Robert Cahn do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley detectou a assimetria com um nível de certeza estatística que os físicos costumam considerar definitivo.

Mas com tal descoberta de grande sucesso - e que ainda está em revisão - os especialistas dizem que é necessário cautela.

“Não há nenhuma razão óbvia para que eles tenham cometido um erro”, disse Shaun Hotchkiss, cosmólogo da Universidade de Auckland. “Isso não significa que não haja um erro.”

O suposto desequilíbrio viola uma simetria chamada “paridade”, uma equivalência entre esquerda e direita. Se a observação resistir ao escrutínio, os físicos acham que ela deve refletir um ingrediente desconhecido e violador de paridade no processo primordial que semeou as sementes de toda a estrutura que se desenvolveu em nosso universo.

“É um resultado incrível – realmente impressionante”, disse Kamionkowski. “Eu acredito nisso? Vou esperar para comemorar de verdade.”

Universo canhoto

A paridade já foi uma simetria estimada da física. Mas então, em 1957, os experimentos de decaimento nuclear do físico sino-americano Chien-Shiung Wu revelou que o nosso universo de fato tem uma ligeira inclinação para isso: as partículas subatômicas envolvidas na força nuclear fraca, que causa o decaimento nuclear, são sempre magneticamente orientadas na direção oposta àquela em que se movem, de modo que espiralam como os fios de uma esquerda -parafuso de mão. As partículas de imagem espelhada - aquelas como parafusos destros - não sentem a força fraca.

A revelação de Wu foi chocante. “Estamos todos bastante abalados com a morte de nosso querido amigo, parity”, escreveu o físico John Blatt em uma carta a Wolfgang Pauli.

O canhoto da força fraca tem efeitos sutis que não poderiam ter influenciado o cosmos em escalas galácticas. Mas desde a descoberta de Wu, os físicos têm buscado outras maneiras pelas quais o universo difere de sua imagem no espelho.

Se, por exemplo, alguma violação de paridade primordial estivesse em vigor quando o universo estava em sua infância, isso poderia ter marcado uma reviravolta na estrutura do cosmos.

Acredita-se que no momento ou próximo ao nascimento do universo, um campo conhecido como inflaton permeou o espaço. Um meio agitado e fervente onde as partículas de inflaton borbulhavam e desapareciam continuamente, o campo do inflaton também era repulsivo; pelo breve tempo que pode ter existido, teria feito com que nosso universo se expandisse rapidamente para 100 trilhões de trilhões de vezes seu tamanho original. Todas essas flutuações quânticas de partículas no campo do inflaton foram lançadas para fora e congeladas no cosmos, tornando-se variações na densidade da matéria. Os bolsões mais densos continuaram a coalescer gravitacionalmente para produzir as galáxias e a estrutura em larga escala que vemos hoje.

Em 1999, pesquisadores incluindo Kamionkowski considerado o que aconteceria se mais de um campo estivesse presente antes dessa explosão. O campo do inflaton pode ter interagido com outro campo que poderia produzir partículas destras e canhotas. Se o inflaton tratasse as partículas destras de maneira diferente das canhotas, ele poderia ter criado preferencialmente partículas de uma mão em detrimento da outra. Este chamado acoplamento Chern-Simons teria imbuído as primeiras flutuações quânticas com uma lateralidade preferencial, que teria evoluído para um desequilíbrio de arranjos tetraédricos de galáxias canhotos e destros.

Quanto ao que o campo adicional pode ser, uma possibilidade é o campo gravitacional. Nesse cenário, uma interação Chern-Simons de violação de paridade ocorreria entre as partículas de inflaton e os grávitons – as unidades quânticas de gravidade – que teriam surgido no campo gravitacional durante a inflação. Tal interação teria criado uma lateralidade nas variações de densidade do universo primitivo e, consequentemente, na estrutura de grande escala de hoje.

Em 2006, Estevão Alexandre, um físico agora na Brown University, sugerido que a gravidade de Chern-Simons também poderia potencialmente resolver um dos maiores mistérios da cosmologia: por que nosso universo contém mais matéria do que antimatéria. Ele supôs que a interação de Chern-Simons poderia ter produzido uma abundância relativa de grávitons canhotos, que por sua vez criariam preferencialmente matéria canhota em vez de antimatéria destra.

A ideia de Alexander permaneceu relativamente obscura por anos. Quando ele ouviu sobre as novas descobertas, ele disse, “foi uma grande surpresa”.

Tetraedros no céu

Cahn pensou que a possibilidade de resolver o quebra-cabeça da assimetria matéria-antimatéria com violação de paridade no início do universo era “especulativa, mas também provocativa”. Em 2019, ele decidiu procurar violação de paridade em um catálogo de galáxias no Sloan Digital Sky Survey. Ele não esperava encontrar nada, mas achou que valeria a pena conferir.

Para testar se a distribuição da galáxia respeita ou viola a paridade, ele e seus colaboradores sabiam que precisavam estudar arranjos tetraédricos de quatro galáxias. Isso ocorre porque o tetraedro é a forma tridimensional mais simples e apenas os objetos 3D têm chance de violar a paridade. Para entender isso, considere suas mãos. Como as mãos são 3D, não há como girar a esquerda para torná-la parecida com a direita. Vire a mão esquerda para que os polegares de ambas as mãos fiquem à esquerda e suas mãos ainda pareçam diferentes - as palmas voltadas para direções opostas. Por outro lado, se você traçar uma mão esquerda em uma folha de papel e recortar a imagem 2D, virar o recorte fará com que pareça uma mão direita. O recorte e sua imagem espelhada são indistinguíveis.

Em 2020, Slepian e Cahn criaram uma maneira de definir a “mão” de um arranjo tetraédrico de galáxias para comparar o número de canhotos e destros no céu. Primeiro eles pegaram uma galáxia e observaram as distâncias de outras três galáxias. Se as distâncias aumentassem no sentido horário como um parafuso de mão direita, eles chamavam o tetraedro de mão direita. Se as distâncias aumentassem no sentido anti-horário, era canhoto.

Para determinar se o universo como um todo tem uma lateralidade preferencial, eles tiveram que repetir a análise para todos os tetraedros construídos a partir de seu banco de dados de 1 milhão de galáxias. Existem quase 1 trilhão de trilhões desses tetraedros - uma lista intratável para lidar com um de cada vez. Mas um truque de fatoração desenvolvido em trabalho anterior em um problema diferente permitiu que os pesquisadores olhassem para a paridade dos tetraedros de forma mais holística: em vez de montar um tetraedro de cada vez e determinar sua paridade, eles poderiam pegar cada galáxia por vez e agrupar todas as outras galáxias de acordo com suas distâncias daquela galáxia, criando camadas como as camadas de uma cebola. Ao expressar as posições relativas das galáxias em cada camada em termos de funções matemáticas de ângulos chamados harmônicos esféricos, eles poderiam combinar sistematicamente conjuntos de três camadas para formar tetraedros coletivos.

Os pesquisadores então compararam os resultados com suas expectativas com base nas leis da física que preservam a paridade. Hou liderou essa etapa, analisando catálogos falsos de galáxias que foram gerados pela simulação da evolução do universo a partir de pequenas variações de densidade que preservam a paridade. A partir desses catálogos simulados, Hou e seus colegas puderam determinar como a contagem de tetraedros canhotos e destros varia aleatoriamente, mesmo em um mundo com simetria espelhada.

A equipe encontrou um nível “sete sigma” de violação de paridade nos dados reais, o que significa que o desequilíbrio entre os tetraedros canhotos e destros era sete vezes maior do que se poderia esperar do acaso aleatório e de outras fontes concebíveis de erro.

Kamionkowski chamou de “incrível que eles foram capazes de fazer isso”, acrescentando que “tecnicamente, é absolutamente surpreendente. É uma análise muito, muito, muito complicada.”

Philcox usou métodos semelhantes (e foi co-autor de alguns artigos anteriores propondo tal análise com Hou, Slepian e Cahn), mas fez algumas escolhas diferentes - por exemplo, agrupando as galáxias em menos camadas do que Hou e seus colegas e omitindo algumas questões problemáticas tetraedros da análise - e, portanto, encontraram uma violação de paridade de 2.9 sigma mais modesta. Os pesquisadores agora estão estudando as diferenças entre suas análises. Mesmo após grandes esforços para entender os dados, todas as partes permanecem cautelosas.

Provas Corroborantes

A descoberta surpreendente sugere uma nova física que poderia potencialmente responder a perguntas de longa data sobre o universo. Mas o trabalho apenas começou.

Primeiro os físicos precisam verificar (ou falsificar) a observação. Novos e ambiciosos levantamentos de galáxias nos quais repetir a análise já estão em andamento. A pesquisa em andamento do Dark Energy Spectroscopic Instrument, por exemplo, registrou 14 milhões de galáxias até agora e conterá mais de 30 milhões quando for concluída. “Isso nos dará a oportunidade de examinar isso com muito mais detalhes, com estatísticas muito melhores”, disse Cahn.

Além disso, se o sinal de violação de paridade for real, ele pode aparecer em outros dados além da distribuição de galáxias. A luz mais antiga no céu, por exemplo – um banho de radiação conhecido como radiação cósmica de fundo, remanescente do início do universo – fornece nosso instantâneo mais antigo das variações espaciais no cosmos. O padrão manchado dessa luz deve conter as mesmas correlações de violação de paridade que as galáxias que se formaram posteriormente. Os físicos dizem que deve ser possível encontrar tal sinal na luz.

Outro lugar para olhar será o padrão de ondas gravitacionais que podem ter sido geradas durante a inflação, chamado de fundo de onda gravitacional estocástica. Essas ondulações semelhantes a saca-rolhas no tecido do espaço-tempo podem ser destras ou canhotas e, em um mundo que preserva a paridade, elas conteriam quantidades iguais de cada uma. Portanto, se os físicos conseguirem medir esse pano de fundo e descobrirem que a mão unilateral é favorecida, isso seria uma verificação independente e inequívoca da física que viola a paridade no universo primordial.

À medida que a busca por evidências corroborantes começa, os teóricos estudarão modelos de inflação que poderiam ter produzido o sinal. Com Giovanni Cabass, um físico teórico do Instituto de Estudos Avançados em Princeton, Nova Jersey, Philcox recentemente usou sua medição para testar uma série de modelos de violação de paridade de inflação, incluindo as do tipo Chern-Simons. (Eles ainda não podem dizer com certeza qual modelo, se houver, é o correto.)

Alexander também redirecionou seus esforços para entender a gravidade de Chern-Simons. Com colaboradores, incluindo Kamionkowski e Cyril Creque-Sarbinowski do Centro de Astrofísica Computacional do Flatiron Institute, Alexander começou a trabalhar em detalhes sutis sobre como a gravidade de Chern-Simons no início do universo influenciaria a distribuição das galáxias de hoje.

“Eu era como o soldado solitário empurrando essas coisas por um tempo”, disse ele. “É bom ver as pessoas se interessando.”

Nota do Editor: O Flatiron Institute é financiado pela Simons Foundation, que também apóia esta revista editorialmente independente. Além disso, Oliver Philcox recebe financiamento da Fundação Simons.