Nos últimos anos, uma série de controvérsias abalou o campo bem estabelecido da cosmologia. Em suma, as previsões do modelo padrão do universo parecem estar em desacordo com algumas observações recentes.
Há debates acalorados sobre se estas observações são tendenciosas ou se o modelo cosmológico, que prevê a estrutura e a evolução de todo o universo, pode precisar de ser repensado. Alguns até afirmam que cosmologia está em crise. Neste momento, não sabemos qual lado vencerá. Mas, emocionantemente, estamos prestes a descobrir isso.
Para ser justo, as controvérsias são apenas o curso regular do método científico. E ao longo de muitos anos, o modelo cosmológico padrão teve a sua quota-parte deles. Este modelo sugere que o universo é composto por 68,3 por cento “energia escura”(uma substância desconhecida que acelera a expansão do universo), 26,8 por cento matéria escura (uma forma desconhecida de matéria) e 4,9% de átomos comuns, medidos com muita precisão a partir do fundo cósmico de microondas—o brilho da radiação do Huge Bang.
Explica com muito sucesso uma infinidade de dados em grandes e pequenas escalas do universo. Por exemplo, pode explicar coisas como a distribuição das galáxias ao nosso redor e a quantidade de hélio e deutério produzida nos primeiros minutos do universo. Talvez o mais importante seja que também pode explicar perfeitamente a radiação cósmica de fundo em micro-ondas.
Isto levou-o a ganhar a reputação de “modelo de concordância”. Mas uma tempestade perfeita de medições inconsistentes – ou “tensões”, como são conhecidas na cosmologia – está agora a questionar a validade deste modelo de longa knowledge.
Tensões desconfortáveis
O modelo padrão faz suposições específicas sobre a natureza da energia escura e da matéria escura. Mas, apesar de décadas de intensa observação, ainda não parecemos estar mais perto de descobrir de que são feitas a matéria escura e a energia escura.
O teste decisivo é o chamado Tensão Hubble. Isto está relacionado com a constante de Hubble, que é a taxa de expansão do universo no momento. Quando medido no nosso universo native próximo, desde a distância até estrelas pulsantes em galáxias próximas, chamadas Cefeidas, o seu valor é de 73 km/s/megaparsec (Mpc é uma unidade de medida para distâncias no espaço intergaláctico). Porém, quando previsto teoricamente, o valor é de 67,4 km/s/Mpc. A diferença pode não ser grande (apenas 8%), mas é estatisticamente significativa.
A tensão do Hubble tornou-se conhecida há cerca de uma década. Naquela época, pensava-se que as observações pode ter sido tendencioso. Por exemplo, as cefeidas, embora muito brilhantes e fáceis de ver, estavam amontoadas com outras estrelas, o que poderia tê-las feito parecer ainda mais brilhantes. Isto poderia ter aumentado a constante de Hubble em alguns por cento em comparação com a previsão do modelo, criando assim uma tensão artificialmente.
Com o advento do Telescópio Espacial James Webb (JWST), que consegue separar as estrelas individualmente, esperava-se que tivéssemos uma resposta para esta tensão.
Frustrantemente, isso ainda não aconteceu. Os astrônomos agora usam dois outros tipos de estrelas além das cefeidas (conhecidas como estrelas da ponta do ramo gigante vermelho (TRGB) e estrelas do ramo gigante assintótico da região J (JAGB). Mas embora um grupo tenha relatado valores das estrelas JAGB e TRGB que são tentadoramente perto ao valor esperado do modelo cosmológico, outro grupo afirmou que eles ainda estão vendo inconsistências em suas observações. Enquanto isso, as medições das cefeidas continuam a mostrar uma tensão de Hubble.
É importante notar que, embora estas medições sejam muito precisas, ainda podem ser influenciadas por alguns efeitos associados exclusivamente a cada tipo de medição. Isto afetará a precisão das observações, de forma diferente para cada tipo de estrela. Uma medição precisa, mas imprecisa, é como tentar conversar com uma pessoa que está sempre perdendo o foco. Para resolver divergências entre dados conflitantes, precisamos de medições que sejam preciso e exato.
A boa notícia é que a tensão do Hubble é agora uma história em rápido desenvolvimento. Talvez tenhamos a resposta para isso no próximo ano ou depois. Melhorar a precisão dos dados, por exemplo, incluindo estrelas de galáxias mais distantes, ajudará a resolver esta questão. Da mesma forma, medições de ondulações no espaço-tempo conhecidas como ondas gravitacionais também poderá nos ajudar definir a constante.
Tudo isso pode justificar o modelo padrão. Ou pode sugerir que há algo faltando nisso. Talvez a natureza da matéria escura ou a forma como a gravidade se comporta em escalas específicas seja diferente daquilo que acreditamos agora. Mas antes de descartar o modelo, é preciso nos maravilhar com sua precisão incomparável. Ele erra o alvo por no máximo alguns pontos percentuais, ao mesmo tempo em que extrapola mais de 13 bilhões de anos de evolução.
Para colocar isso em perspectiva, mesmo os movimentos mecânicos dos planetas no sistema photo voltaic só podem ser calculados de forma confiável por menos de um bilhão de anosapós o que se tornam imprevisíveis. O modelo cosmológico padrão é uma máquina extraordinária.
A tensão de Hubble não é o único problema para a cosmologia. Outra, conhecida como “tensão S8”, também está causando problemasembora não na mesma escala. Aqui o modelo tem um problema de suavidade, ao prever que a matéria no universo deveria estar mais agrupada do que realmente observamos – em cerca de 10%. Existem várias maneiras de medir a “aglomeração” da matéria, por exemplo, analisando as distorções na luz das galáxias produzidas pela suposta matéria escura intervindo ao longo da linha de visão.
Atualmente, parece haver um consenso na comunidade de que as incertezas nas observações devem ser eliminadas antes de descartar o modelo cosmológico. Uma forma possível de aliviar esta tensão é compreender melhor o papel dos ventos gasosos nas galáxias, que podem expulsar parte da matéria, tornando-a mais suave.
Compreender como as medições de aglomeração em pequenas escalas se relacionam com aquelas em escalas maiores ajudaria. As observações também podem sugerir que há uma necessidade de mudar a forma como modelamos a matéria escura. Por exemplo, se em vez de ser composta inteiramente de partículas frias e de movimento lento, como assume o modelo padrão, a matéria escura pudesse ser misturada com alguns partículas quentes e em movimento rápido. Isto poderia desacelerar o crescimento da aglomeração nos últimos tempos cósmicos, o que aliviaria a tensão do S8.
O JWST destacou outros desafios para o modelo padrão. Um deles é que primeiras galáxias parece ser muito mais massivo que o esperado. Algumas galáxias podem pesar tanto quanto a Through Láctea hoje, embora tenham se formado menos de um bilhão de anos após o Huge Bang, sugerindo que deveriam ser menos massivas.
No entanto, as implicações contra o modelo cosmológico são menos claras neste caso, pois pode haver outras explicações possíveis para estes resultados surpreendentes. Melhorar a medição das massas estelares nas galáxias é elementary para resolver este problema. Em vez de medi-las diretamente, o que não é possível, inferimos estas massas a partir da luz emitida pelas galáxias.
Esta etapa envolve algumas suposições simplificadoras, que podem se traduzir em superestimar a massa. Recentemente, também foi argumentado que parte da luz atribuída às estrelas nestas galáxias é gerada por poderosos buracos negros. Isto implicaria que estas galáxias podem não ser tão massivas, afinal.
Teorias Alternativas
Então, onde estamos agora? Embora algumas tensões possam em breve ser explicadas por mais e melhores observações, ainda não está claro se haverá uma resolução para todos os desafios que afectam o modelo cosmológico.
No entanto, não faltaram ideias teóricas sobre como consertar o modelo – talvez muitas, na faixa de algumas centenas e contando. Essa é uma tarefa desconcertante para qualquer teórico que queira explorar todos eles.
As possibilidades são muitas. Talvez precisemos de mudar as nossas suposições sobre a natureza da energia escura. Talvez seja um parâmetro que varia com o tempoo que algumas medições recentes sugeriram. Ou talvez precisemos adicionar mais energia escura ao modelo para impulsionar a expansão do universo nos primeiros tempos, ou, pelo contrário, nos últimos tempos. Modificando como a gravidade se comporta em grandes escalas do universo (diferentemente do que é feito nos modelos chamados Dinâmica Newtoniana Modificada, ou MOND) também pode ser uma opção.
Até agora, porém, nenhuma destas alternativas pode explicar a vasta gama de observações que o modelo padrão pode. Ainda mais preocupante, alguns deles podem ajudar com uma tensão, mas piorar outras.
A porta está agora aberta para todos os tipos de ideias que desafiam até mesmo os princípios mais básicos da cosmologia. Por exemplo, talvez precisemos abandonar a suposição de que o universo é “homogêneo e isotrópico” em escalas muito grandeso que significa que parece igual em todas as direções para todos os observadores e sugere que não existem pontos especiais no universo. Outros propõem mudanças na teoria da relatividade geral.
Alguns até imaginam um universo malandro, que participa conosco do ato de observaçãoou que muda de aparência dependendo de olharmos para ele ou não – algo que sabemos que acontece no mundo quântico de átomos e partículas.
Com o tempo, muitas destas ideias serão provavelmente relegadas ao gabinete de curiosidades dos teóricos. Mas, entretanto, proporcionam um terreno fértil para testar a “nova física”.
Isso é uma coisa boa. A resposta a estas tensões virá sem dúvida de mais dados. Nos próximos anos, uma poderosa combinação de observações de experimentos como o JWST, o Instrumento espectroscópico de energia escura (DESI)o Observatório Vera Rubin e Euclidesentre muitos outros, nos ajudará a encontrar as respostas há muito procuradas.
Ponto de inflexão
Por um lado, dados mais precisos e uma melhor compreensão das incertezas sistemáticas nas medições poderiam devolver-nos ao conforto tranquilizador do modelo padrão. Dos seus problemas passados, o modelo poderá emergir não apenas justificado, mas também fortalecido, e a cosmologia será uma ciência que é ao mesmo tempo precisa e exacta.
Mas se a balança pender para o outro lado, seremos conduzidos a um território desconhecido, onde nova física terá de ser descoberta. Isto poderia levar a uma grande mudança de paradigma na cosmologia, semelhante à descoberta da expansão acelerada do universo no remaining da década de 1990. Mas neste caminho talvez tenhamos de levar em conta, de uma vez por todas, a natureza da energia escura e da matéria escura, dois dos grandes mistérios não resolvidos do universo.
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Crédito da imagem: Equipe de produção da NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO