A discrepância entre a rapidez com que o Universo parece estar a expandir-se e a rapidez com que esperamos que se expanda é uma das anomalias mais teimosamente persistentes da cosmologia.
Os cosmólogos baseiam a sua expectativa da taxa de expansão – uma taxa conhecida como Hubble constant- nas medições de radiação emitida pouco depois do Big Bang. Esta radiação revela os ingredientes precisos do universo primitivo. Os cosmólogos ligam os ingredientes ao seu modelo de evolução cósmica e fazem avançar o modelo para ver a rapidez com que o espaço se deve expandir hoje em dia.
Estória original reimpressa com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente da Simons Foundation cuja missão é melhorar a compreensão pública da ciência, cobrindo os desenvolvimentos e tendências da investigação em matemática e nas ciências físicas e da vida.
Yet the prediction falls short: Quando os cosmólogos observam objectos astronómicos tais como estrelas pulsantes e supernovas em explosão, vêem um universo que se expande mais rapidamente, com uma constante Hubble maior.
A discrepância, conhecida como a tensão Hubble, tem persistido mesmo quando todas as medições se tornaram mais precisas. Alguns astrofísicos continuam a debater se a tensão poderá não ser mais do que um erro de medição. Mas se a discrepância é real, significa que falta algo no modelo cosmológico do universo.
Recentemente, os teóricos têm estado ocupados a imaginar novos ingredientes cósmicos que, quando adicionados ao modelo padrão, iriam fazer subir a taxa de expansão esperada do universo, fazendo-o corresponder às observações.
“Descobrir anomalias é a forma fundamental que a ciência faz progressos”, disse Avi Loeb, cosmólogo da Universidade de Harvard e um dos dezenas de investigadores que propuseram soluções para a tensão Hubble.
Estas são algumas das principais ideias para o que poderia estar a acelerar a expansão cósmica.
Decaying Dark Matter
O modelo padrão da cosmologia incorpora todas as formas familiares de matéria e radiação e as suas interacções. Também inclui as substâncias invisíveis conhecidas como energia escura e matéria escura, que em conjunto constituem cerca de 96 por cento do cosmos. Como se sabe tão pouco sobre estes ingredientes escuros, eles são talvez o local óbvio para começar a adulterar o modelo padrão. “É isso que tem à sua disposição para alterar a taxa de expansão do universo”, disse Loeb.
O modelo padrão assume que a matéria escura consiste em partículas de movimento lento que não interagem com a luz. Mas e se também assumirmos que a matéria escura não é feita apenas de uma única substância? Uma vez que muitos tipos diferentes de partículas visíveis existem – marcas, electrões e assim por diante – podem também haver múltiplas partículas escuras.
Num artigo publicado no Verão passado na Physical Review D, Loeb e dois colaboradores consideraram uma forma de matéria escura que se decompõe numa partícula mais clara e numa partícula sem massa, conhecida como fotão escuro. À medida que mais e mais matéria escura se decompõe com o tempo, eles raciocinaram, a sua atracção gravitacional teria diminuído, e assim a expansão do universo teria acelerado, aliviando a tensão Hubble.
Mas fazer pequenas alterações como esta ao modelo cosmológico padrão pode ter efeitos de arrastamento indesejados. “É muito fácil de fazer todo o tipo de ligeiras modificações”, disse Marc Kamionkowski, um físico teórico da Universidade Johns Hopkins – mas é difícil fazê-lo, disse ele, sem arruinar o ajuste perfeito do modelo com uma riqueza de outras observações astronómicas.
Ao variar a taxa de decomposição e a quantidade de matéria escura que se perde em cada decomposição, Loeb e colegas seleccionaram um modelo de matéria escura em decomposição que dizem ainda concordar com outras observações astronómicas. “Se acrescentarmos este ingrediente ao modelo padrão da cosmologia, tudo se mantém unido”, disse Loeb.
Yet ele continua insatisfeito com a ideia da matéria escura em decomposição, em parte porque introduz duas novas quantidades incertas nas equações.
“Neste caso, adiciona-se dois parâmetros livres a fim de resolver uma discrepância – e estou inquieto com isso”, disse ele, comparando a matéria negra em decomposição com os epiciciclos no modelo do universo centrado na Terra de Ptolomeu. “Preferia ter duas discrepâncias explicadas por um parâmetro”
Inconstant Dark Energy
Desde a descoberta surpresa em 1998 de que a expansão do universo está a acelerar, os cosmólogos incluíram uma energia negra repulsiva no seu modelo de evolução cósmica. Mas a sua natureza permanece um mistério. A possibilidade mais simples é que a energia escura é a “constante cosmológica” – a energia do próprio espaço, com uma densidade constante em todo o lado. Mas e se a quantidade de energia escura no universo não for constante?
Uma dose extra de energia escura no universo primitivo, apelidada de energia escura precoce, poderia conciliar os valores conflituosos da constante Hubble. A pressão externa desta energia escura precoce teria acelerado a expansão do Universo. “A parte complicada é que não pode realmente ficar por aqui; tem de desaparecer rapidamente”, disse Lisa Randall, uma física de partículas e cosmóloga de Harvard.
Randall e os seus colaboradores conceberam aquilo a que chamam soluções “rock ‘n’ roll” para a tensão de Hubble num artigo submetido ao Journal of High Energy Physics. Cada uma destas adições ao modelo padrão toma uma forma matemática diferente – em alguns, a densidade de energia escura oscila, ou rochas, enquanto noutros rola de um valor elevado para zero. Mas em todos os casos, a energia escura precoce deve desaparecer após algumas centenas de milhares de anos, durante uma época conhecida como recombinação. “A história do universo desde a recombinação é bastante consistente com o modelo padrão”, disse Kamionkowski, que foi co-autor de um artigo sobre energia escura precoce publicado em Physical Review Letters em Junho passado. “Assim, qualquer negócio de macacos que façamos no universo primitivo tem de se deteriorar”
A par da energia escura precoce, os teóricos têm apresentado outras formas exóticas de energia escura – como a quintessência e a energia escura fantasma – que também mudam à medida que o universo envelhece. Embora estas extensões ao modelo padrão aliviem a tensão Hubble, são consideradas por muitos cosmólogos como aditamentos matemáticos refinados e oportunos que não têm uma justificação clara.
Mas Kamionkowski diz que as novas formas de energia negra aparecem menos engendradas quando consideradas juntamente com outros períodos de expansão na história do universo. Por exemplo, a maioria dos cosmólogos pensa que o espaço se expandiu exponencialmente no início do Big Bang durante um período conhecido como inflação, que foi impulsionado por um tipo de energia negra diferente da que existe actualmente. Pensa-se que tais períodos dominados pela energia negra “ocorrem ocasionalmente ao longo da história do universo”, disse Kamionkowski.
Gravidade Modificada
No modelo padrão da cosmologia, todas as formas conhecidas de matéria e radiação, mais matéria escura e energia escura, são introduzidas na teoria da gravidade de Albert Einstein, e as equações de Einstein indicam como o espaço se expande como resultado. Isto significa que, além de mudar ou acrescentar ingredientes cósmicos ao modelo, há outra forma de os físicos o poderem reconciliar com a taxa de expansão cósmica observada: “Pode-se imaginar que as equações de Einstein não são correctas”, disse Loeb.
William Barker, um estudante de doutoramento na Universidade de Cambridge, estava à procura de uma teoria da “gravidade modificada” no Verão passado quando deparou com uma forma de resolver a tensão Hubble. Barker encontrou um modelo de gravidade modificada que era “capaz de se comportar como se houvesse radiação extra no universo inicial”, disse ele; a pressão da radiação teria aumentado a taxa de expansão cósmica.
Mas numa pré-impressão submetida à Revisão Física D em Março, Barker e três co-autores reconhecem que é necessária muito mais análise para ver se o modelo pode descrever não só como o universo se expande mas também como estruturas como galáxias e aglomerados evoluíram.
Com telescópios contemporâneos que oferecem um excesso de dados impressionantemente precisos sobre tais estruturas, conceber uma teoria que corresponda a todas as observações não é uma proeza mesquinha. “Muitas das teorias da gravidade modificada não são teorias completas, e quando se tenta fazer um cálculo detalhado com conjuntos de dados sofisticados … é difícil fazer isso de uma forma robusta”, disse Kamionkowski.
Espere e Veja
“Todos sabemos que são ad hoc”, disse Randall sobre as propostas até agora. “O surpreendente é que mesmo com estas adições ad hoc, ainda é muito difícil acomodar a discrepância”
P>Even com a liberdade extra, a maioria dos modelos não padronizados apenas reduzem a tensão Hubble em vez de a eliminarem. Prevêem uma taxa de expansão cósmica mais rápida do que o modelo padrão, mas ainda não é suficientemente rápida para corresponder às observações de supernovas e outros objectos astronómicos.
Nos próximos anos, o telescópio Euclides e outros mapearão meticulosamente como a gravidade e a energia negra moldaram a evolução cósmica. Entretanto, as ondas gravitacionais emitidas pelas estrelas de neutrões que colidem oferecem uma nova forma de medir a constante de Hubble. Os novos dados excluirão algumas destas novas soluções para a tensão de Hubble, mas poderão surgir novas fissuras no modelo padrão. Por enquanto, muitos cosmólogos estão relutantes em complicar o modelo quando este funciona tão bem de outra forma. “Há um pouco de expectativa, a menos que alguém tenha uma ideia realmente boa”, disse Randall.
p>Ela acrescentou que mesmo que a tensão de Hubble se revele apenas uma acumulação de erros, esta procura de nova física pode não ser em vão.
“Ocasionalmente, resultados interessantes vêm de coisas que acabam por desaparecer”, disse Randall. “Obriga-o a pensar: O que sabemos? E até que ponto podemos mudar as coisas?”
Estória original reimpressa com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente da Simons Foundation, cuja missão é melhorar a compreensão pública da ciência, cobrindo os desenvolvimentos e tendências da investigação em matemática e nas ciências físicas e da vida.
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