Números Cósmicos Confrontantes Desafiam Nossa Melhor Teoria do Universo | Revista Quanta

No início dos anos 2000, parecia que os cosmólogos tinham resolvido o maior e mais complexo enigma de todos: como funciona o universo.

“Houve um momento incrível quando, de repente, todas as peças da cosmologia se encaixaram”, disse Colin Hill, um cosmólogo teórico da Universidade de Columbia.

Todas as formas de estudar o universo – mapeando galáxias e suas estruturas maiores, detectando explosões estelares catastróficas chamadas supernovas, calculando distâncias até estrelas variáveis, medindo o brilho cósmico residual do universo primitivo – contavam histórias que “pareciam se sobrepor”, disse Hill.

A cola que unia as histórias tinha sido descoberta alguns anos antes, em 1998: a energia escura, uma força misteriosa que, em vez de unir o cosmos, de alguma forma faz com que ele se expanda cada vez mais rapidamente, em vez de abrandar com o tempo. Quando os cientistas incluíram esse algo cósmico em seus modelos do universo, teorias e observações se misturaram. Eles elaboraram o que hoje é conhecido como modelo padrão da cosmologia, chamado Lambda-CDM, no qual a energia escura representa quase 70% do universo, enquanto outra misteriosa entidade escura – um tipo de massa invisível que parece interagir apenas com a matéria normal através da gravidade – representa cerca de 25%. Os 5% restantes são tudo o que podemos ver: as estrelas, planetas e galáxias que os astrônomos estudam há milênios.

Mas aquele momento de tranquilidade foi apenas uma breve pausa entre tempos de luta. À medida que os astrónomos faziam observações mais precisas do Universo ao longo do tempo cósmico, começaram a aparecer fissuras no modelo padrão. Alguns dos primeiros sinais de problemas vieram de medições de estrelas variáveis e supernovas em um punhado de galáxias próximas - observações que, quando comparadas com o brilho cósmico residual, sugeriram que nosso universo segue regras diferentes das que pensávamos, e que um parâmetro cosmológico crucial que define a rapidez com que o universo está se desintegrando muda quando você meça com medidas diferentes.

Os cosmólogos tinham um problema – algo que chamavam de tensão ou, em seus momentos mais dramáticos, de tensão. crise.

Essas medições discordantes só se tornaram mais distintas cerca de uma década desde o surgimento das primeiras fissuras. E esta discrepância não é o único desafio ao modelo padrão da cosmologia. As observações de galáxias sugerem que a forma como estruturas cósmicas se aglomeraram ao longo do tempo pode diferir da nossa melhor compreensão de como o universo de hoje deveria ter crescido a partir de sementes incrustadas no cosmos primitivo. E incompatibilidades ainda mais subtis provêm de estudos detalhados da luz mais antiga do Universo.

Outras inconsistências são abundantes. “Existem muitos outros problemas menores em outros lugares”, disse Eleonora Di Valentino, um cosmólogo teórico da Universidade de Sheffield. “É por isso que é intrigante. Porque não são apenas esses grandes problemas.”

Para aliviar estas tensões, os cosmólogos estão a adoptar duas abordagens complementares. Em primeiro lugar, continuam a fazer observações mais precisas do cosmos, na esperança de que dados melhores revelem pistas sobre como proceder. Além disso, eles estão encontrando maneiras de ajustar sutilmente o modelo padrão para acomodar resultados inesperados. Mas estas soluções são muitas vezes inventadas e, se resolvem um problema, muitas vezes pioram outros.

“A situação agora parece uma grande bagunça”, disse Hill. “Não sei o que fazer com isso.”

Luz distorcida

Para caracterizar o nosso universo, os cientistas usam alguns números, que os cosmólogos chamam de parâmetros. As entidades físicas a que estes valores se referem são todas engrenagens de uma máquina cósmica gigante, com cada bit conectado aos outros.

Um desses parâmetros está relacionado à intensidade com que a massa se aglomera. Isso, por sua vez, nos diz algo sobre como a energia escura opera, já que seu impulso acelerado para fora entra em conflito com a atração gravitacional da massa cósmica. Para quantificar a aglomeração, os cientistas usam uma variável chamada S₈. Se o valor for zero, então o universo não tem variação nem estrutura, explicou Sunao Sugiyama, um cosmólogo observacional da Universidade da Pensilvânia. É como uma pradaria plana e indefinida, sem nem mesmo um formigueiro para quebrar a paisagem. Mas se S₈ está mais próximo de 1, o universo é como uma enorme cordilheira irregular, com enormes aglomerados de matéria densa separados por vales de nada. As observações feitas pela espaçonave Planck do universo primitivo - onde as primeiras sementes de estrutura se estabeleceram - encontram um valor de 0.83.

Mas as observações da história cósmica recente não concordam muito.

Para comparar a aglomeração do universo atual com as medições do cosmos infantil, os investigadores examinam como a matéria está distribuída por grandes áreas do céu.

Contabilizar galáxias visíveis é uma coisa. Mas mapear a rede invisível sobre a qual se encontram essas galáxias é outra. Para fazer isso, os cosmólogos observam pequenas distorções na luz das galáxias, porque o caminho que a luz percorre ao percorrer o cosmos é distorcido à medida que a luz é desviada pelo peso gravitacional da matéria invisível.

Ao estudar estas distorções (conhecidas como lentes gravitacionais fracas), os investigadores podem traçar a distribuição da matéria escura ao longo dos caminhos que a luz percorreu. Eles também podem estimar onde estão as galáxias. Com ambas as informações em mãos, os astrónomos criam mapas 3D da massa visível e invisível do Universo, o que lhes permite medir como a paisagem da estrutura cósmica muda e cresce ao longo do tempo.

Nos últimos anos, três pesquisas com lentes fracas mapearam grandes áreas do céu: a Dark Energy Survey (DES), que utiliza um telescópio no deserto chileno do Atacama; a Pesquisa Kilo-Degree (KIDS), também no Chile; e, mais recentemente, uma pesquisa de cinco anos realizada pela Hyper Suprime-Cam (HSC) do Telescópio Subaru no Havaí.

Há alguns anos, as pesquisas DES e KIDS produziram S₈ valores inferiores aos de Planck – implicando cadeias de montanhas menores e picos mais baixos do que o que a sopa cósmica primordial criou. Mas essas eram apenas sugestões tentadoras de falhas na nossa compreensão de como as estruturas cósmicas crescem e se conglomeram. Os cosmólogos precisavam de mais dados e aguardavam ansiosamente os resultados do Subaru HSC, que foram publicados em uma série de cinco artigos em dezembro.

A equipe do Subaru HSC pesquisou dezenas de milhões de galáxias cobrindo cerca de 416 graus quadrados no céu, ou o equivalente a 2,000 luas cheias. No seu pedaço de céu, a equipe calculou uma S₈ valor de 0.78 – em linha com os resultados iniciais de pesquisas anteriores, e menor do que o valor medido das observações do telescópio Planck da radiação do universo primitivo. A equipa da Subaru tem o cuidado de dizer que as suas medições apenas “sugerem” uma tensão porque ainda não atingiram o nível de significância estatística em que os cientistas confiam, embora estejam a trabalhar para adicionar mais três anos de observações aos seus dados.

"Se este S₈ a tensão é realmente verdadeira, há algo que ainda não entendemos”, disse Sugiyama, que liderou uma das análises do Subaru HSC.

Os cosmólogos estão agora debruçados sobre os detalhes das observações para descobrir fontes de incerteza. Para começar, a equipe da Subaru estimou as distâncias para a maioria de suas galáxias com base na cor geral, o que pode levar a imprecisões. “Se você errasse nas estimativas de distância [média], também erraria alguns de seus parâmetros cosmológicos de seu interesse”, disse um membro da equipe. Raquel Mandelbaum da Universidade Carnegie Mellon.

Além disso, essas medições não são fáceis de fazer, com sutis complexidades de interpretação. E a diferença entre a aparência distorcida de uma galáxia e a sua forma real – a chave para identificar a massa invisível – é muitas vezes muito pequena, disse. Diana Scognamiglio do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA. Além disso, o desfoque da atmosfera da Terra pode alterar ligeiramente a forma de uma galáxia, o que é uma das razões pelas quais Scognamiglio está liderando uma análise de lentes fracas usando o Telescópio Espacial James Webb da NASA.

Para aumentar a confusão, cientistas das equipes DES e KIDS recentemente reanalisaram suas medições juntos e derivaram um S₈ valor mais próximo dos resultados do Planck.

Então, por enquanto, a imagem está confusa. E alguns cosmólogos ainda não estão convencidos de que os vários S₈ as medições estão em tensão. “Não creio que haja um indício óbvio de uma grande falha catastrófica aí”, disse Hill. Mas, acrescentou, “não é implausível que possa haver algo interessante acontecendo”.

Onde as rachaduras são evidentes

Há doze anos, os cientistas viram os primeiros indícios de problemas com medições de outro parâmetro cosmológico. Mas foram necessários anos para acumular dados suficientes para convencer a maioria dos cosmólogos de que estavam a lidar com uma crise total.

Em resumo, as medições da rapidez com que o Universo está se expandindo hoje — conhecida como constante de Hubble — não correspondem ao valor obtido ao extrapolar a partir do universo primitivo. O enigma ficou conhecido como tensão de Hubble.

Para calcular a constante de Hubble, os astrônomos precisam saber a que distância as coisas estão. No cosmos próximo, os cientistas medem distâncias usando estrelas chamadas variáveis ​​Cefeidas, que mudam periodicamente de brilho. Existe uma relação bem conhecida entre a rapidez com que uma destas estrelas oscila do mais brilhante para o mais fraco e a quantidade de energia que irradia. Essa relação, que foi descoberta no início do século XX, permite aos astrónomos calcular o brilho intrínseco da estrela e, comparando-o com o quão brilhante ela parece, podem calcular a sua distância.

Usando estas estrelas variáveis, os cientistas podem medir distâncias a galáxias até cerca de 100 milhões de anos-luz de nós. Mas para ver um pouco mais longe e um pouco mais atrás no tempo, eles usam um marcador de milha mais brilhante — um tipo específico de explosão estelar chamada supernova tipo Ia. Os astrónomos também podem calcular o brilho intrínseco destas “velas padrão”, o que lhes permite medir distâncias a galáxias a milhares de milhões de anos-luz de distância.

Nas últimas duas décadas, essas observações ajudaram os astrônomos a determinar o quão rápido o universo próximo está se expandindo: aproximadamente 73 quilômetros por segundo por megaparsec, o que significa que, à medida que você olha mais longe, para cada megaparsec (ou 3.26 milhões de anos-luz). ) de distância, o espaço está voando 73 quilômetros por segundo mais rápido.

Mas esse valor entra em conflito com aquele derivado de outro governante inserido no universo infantil.

No início, o universo era um plasma abrasador, uma sopa de partículas fundamentais e energia. “Foi uma bagunça quente”, disse Vivian Poulin-Détolle, cosmólogo da Universidade de Montpellier.

Numa fração de segundo na história cósmica, alguma ocorrência, talvez um período de extrema aceleração conhecido como inflação, enviou solavancos – ondas de pressão – através do plasma obscuro.

Então, à medida que o universo esfriava, a luz que estava presa na névoa de plasma elementar finalmente se libertou. Essa luz – a radiação cósmica de fundo em micro-ondas, ou CMB – revela essas primeiras ondas de pressão, tal como a superfície de um lago congelado se agarra às cristas sobrepostas de ondas congeladas no tempo, disse Poulin-Détolle.

Os cosmólogos mediram o comprimento de onda mais comum dessas ondas de pressão congeladas e usaram-no para calcular um valor para a constante de Hubble de 67.6 km/s/Mpc, com uma incerteza inferior a 1%.

Os valores peculiarmente discordantes – aproximadamente 67 versus 73 – desencadearam um debate acalorado na cosmologia que ainda não foi resolvido.

Os astrónomos estão a recorrer a marcadores de milhas cósmicas independentes. Nos últimos seis anos, Wendy Freeman da Universidade de Chicago (que trabalhou na constante de Hubble durante um quarto de século) concentrou-se num tipo de estrela vermelha antiga que normalmente vive nas porções exteriores das galáxias. Lá fora, menos estrelas brilhantes sobrepostas e menos poeira podem levar a medições mais claras. Usando essas estrelas, Freedman e seus colegas mediram uma taxa de expansão de cerca de 70 km/s/Mpc – “o que na verdade está em boa concordância com as Cefeidas”, disse ela. “Mas também está em boa concordância com o fundo de micro-ondas.”

Ela agora recorreu ao poderoso olho infravermelho do JWST para abordar o problema. Com os seus colegas, ela está a medir distâncias a estas estrelas vermelhas gigantes em 11 galáxias próximas, ao mesmo tempo que mede as distâncias a Cefeidas e a um tipo de estrela de carbono pulsante nessas mesmas galáxias. Eles esperam publicar os resultados ainda nesta primavera, mas, disse ela, “os dados já parecem realmente espetaculares”.

“Estou muito interessado em ver o que eles encontram”, disse Hill, que trabalha para compreender modelos do universo. Será que estas novas observações ampliarão as fissuras no modelo favorito da cosmologia?

Um novo modelo?

À medida que as observações continuam a restringir estes parâmetros cosmológicos cruciais, os cientistas tentam ajustar os dados aos seus melhores modelos de como o Universo funciona. Talvez medições mais precisas resolvam os seus problemas, ou talvez as tensões sejam apenas um artefacto de algo mundano, como peculiaridades dos instrumentos utilizados.

Ou talvez os modelos estejam errados e novas ideias — “nova física” — serão necessárias.

“Ou não fomos inteligentes o suficiente para criar um modelo que realmente se adapte a tudo”, disse Hill, ou “pode haver, de fato, várias peças de nova física em jogo”.

O que eles poderiam ser? Talvez um novo campo de força fundamental, disse Hill, ou interações entre partículas de matéria escura que ainda não entendemos, ou novos ingredientes que ainda não fazem parte da nossa descrição do universo.

Alguns novos modelos de física ajustam a energia escura, adicionando uma onda de aceleração cósmica nos primeiros momentos do universo, antes de elétrons e prótons se unirem. “Se a taxa de expansão pudesse de alguma forma ser aumentada, apenas um pouquinho, por um tempinho, no início do universo”, disse Marc Kamionkowski, cosmólogo da Universidade Johns Hopkins, “você pode resolver a tensão do Hubble”.

Kamionkowski e um de seus alunos de pós-graduação propuseram a ideia em 2016, e dois anos depois delineou algumas assinaturas que um telescópio cósmico de fundo em micro-ondas de alta resolução deveria ser capaz de ver. E o Telescópio Cosmológico Atacama, situado numa montanha no Chile, viu alguns desses sinais. Mas desde então, outros cientistas demonstraram que o modelo cria problemas com outras medições cósmicas.

Esse tipo de modelo ajustado, onde um tipo adicional de energia escura surge por um momento e depois desaparece, é muito complicado para explicar o que está acontecendo, disse Dragan Huterer, um cosmólogo teórico da Universidade de Michigan. E outras soluções propostas para a tensão do Hubble tendem a corresponder ainda mais mal às observações. Eles estão “irremediavelmente sintonizados”, disse ele, como histórias justas que são específicas demais para estarem em sintonia com a ideia de longa data de que teorias mais simples tendem a vencer as complexas.

Os dados que chegarão no próximo ano podem ajudar. Em primeiro lugar, serão apresentados os resultados da equipe de Freedman analisando diferentes sondagens sobre a taxa de expansão próxima. Então, em abril, os pesquisadores revelarão os primeiros dados do maior levantamento cosmológico do céu até o momento, o Instrumento Espectroscópico de Energia Escura. No final do ano, a equipe do Telescópio Cosmológico Atacama – e os pesquisadores que estão fazendo outro mapa de fundo primordial usando o Telescópio do Pólo Sul – provavelmente divulgarão seus resultados detalhados do fundo de micro-ondas em resolução mais alta. As observações no horizonte mais distante virão do Euclid da Agência Espacial Europeia, um telescópio espacial lançado em julho, e do Observatório Vera C. Rubin, uma máquina de mapeamento de todo o céu que está sendo construída no Chile e estará totalmente operacional em 2025.

O Universo pode ter 13.8 mil milhões de anos, mas a nossa busca para o compreender — e o nosso lugar nele — ainda está na sua infância. Tudo na cosmologia se encaixou há apenas 15 anos, num breve período de tranquilidade que se revelou uma miragem. As fissuras que surgiram há uma década abriram-se totalmente, criando fissuras maiores no modelo favorito da cosmologia.

“Agora”, disse Di Valentino, “tudo mudou”.

Nota do editor: Vários cientistas mencionados neste artigo receberam 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.