Mon. Jun 17th, 2024

Nossa compreensão do universo é sustentada pelo princípio cosmológico: a suposição de que, nas maiores escalas, ele parece mais ou menos o mesmo em todas as direções. E se isso estiver errado?

IMAGINE que você está abandonado em uma vasta e inexpressiva extensão. Para onde quer que você olhe, não importa o quão longe você viaje, tudo parece o mesmo. Parece um sonho perturbador. Acredite ou não, porém, este é o universo em que você vive. Se você diminuir o zoom o suficiente, passando por estrelas próximas, através da Via Láctea até aglomerados de galáxias e as estruturas semelhantes a filamentos que os conectam, e então você continua, eventualmente, tudo começa a parecer suave e uniforme onde quer que você olhe.

Ou não? Essa ideia de que, nas maiores escalas, o cosmos parece praticamente o mesmo, independentemente da posição ou direção, é chamada de princípio cosmológico e sustenta nossa melhor teoria de como o universo evoluiu. Para os cosmólogos, é o evangelho. Mas alguns hereges estão agora questionando o princípio, apontando para novas evidências de que, mesmo em suas maiores escalas, o cosmos não é apenas irregular, mas fundamentalmente desequilibrado.

Se eles estiverem certos, isso derrubaria a cosmologia. Teríamos que começar nossa descrição da evolução do universo do zero – e possivelmente até admitir que não pode haver um modelo único capaz de descrevê-lo até hoje.

Se eles estão certos. A maioria dos cosmólogos está longe de estar convencida. Desafios semelhantes já foram resolvidos antes, eles dão de ombros. E, no entanto, há um acerto de contas no horizonte porque, de uma forma ou de outra, o princípio cosmológico – por tanto tempo considerado intocável – vai finalmente correr o desafio empírico.

A noção de que o universo é o mesmo em todos os lugares em todas as direções surgiu de outro princípio essencial da cosmologia: o argumento de Nicolau Copérnico, feito no século 16, de que a Terra não ocupa um lugar especial no universo, também conhecido como princípio de Copérnico. Mas o princípio cosmológico não ganhou seu status exaltado atual até a década de 1920, quando tornou possível extrair um modelo viável do universo da nova teoria da gravidade de Albert Einstein – a relatividade geral.

A relatividade geral é tão complexa quanto bela. Dez equações entrelaçadas equilibram matéria e energia de um lado e a distorção do espaço-tempo do outro. A única maneira de resolvê-lo é fazer suposições abrangentes sobre como a matéria e a energia são distribuídas e como o espaço-tempo se deforma. Ao assumir que o universo é o mesmo em todos os lugares, ou homogêneo, e parece o mesmo em todas as direções, uma característica conhecida como isotropia, os físicos conseguiram resumir as equações de Einstein para extrair um universo simples e em evolução que correspondia às observações.

Essa solução “Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker” (FLRW) consagrou o princípio cosmológico e continua sendo a base do modelo padrão da cosmologia – nossa melhor teoria de como o universo evoluiu. Começando com o big bang, este cosmos FLRW perfeito se expande simetricamente como um balão cheio de ar. Estrelas, galáxias e aglomerados se formam permitindo pequenos desvios do que continua sendo um cosmos suave e uniforme.

O modelo padrão funciona. Quando pegamos um mapa detalhado de luz do universo inicial, conhecido como fundo cósmico de micro-ondas (CMB), e extrapolamos usando o modelo, obtemos exatamente o que observamos hoje. “Os mesmos solavancos e oscilações que você vê na CMB estão presentes na distribuição em larga escala das galáxias”, diz Jim Peebles, da Universidade de Princeton, que desenvolveu o modelo padrão nas décadas de 1970 e 1980. “A teoria padrão funciona muito melhor do que eu esperava. Mas nunca pensei nisso como uma teoria final; era um marcador de posição.”

A percepção de que as galáxias parecem ser mantidas juntas por algum outro tipo de matéria invisível, conhecida como matéria escura, e depois a descoberta de que a expansão do universo está se acelerando, já que atribuída à energia escura, significou que os cosmólogos tiveram que adicionar algumas coisas ao seu receita – adições à mão livre, por assim dizer. “Nós apenas dizemos ad hoc: “Que haja energia escura! Que haja matéria escura!” diz Peebles.

Como Peebles, a maioria dos cosmólogos concordaria que o modelo padrão deve ser atualizado. Para começar, ainda não temos a menor ideia do que são esses espectros misteriosos jogados no pote para fazê-lo funcionar. E mesmo quando incorporamos a energia escura no modelo padrão, medições diretas de estrelas e galáxias nos dizem que o universo está se expandindo mais rápido do que deveria de acordo com o modelo.

Cosmic microwave background. Spherical projection of the cosmic microwave background, using all-sky data from the WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Since it is a spherical projection, it only shows half the sky. The microwave background is radiation from the beginning of the universe (actually 380,000 years after its creation) that has been stretched (cooled to around 3 Kelvin) by the expansion of the universe. The colours show the variation in the temperature (then equivalent to density) of the early universe. Denser regions (red, yellow) formed the seeds of galaxies and other structures. Data obtained in 2003.
Um mapa esférico de luz do universo primitivo, conhecido como fundo cósmico de micro-ondas. Equipe Científica da NASA/WMAP/Biblioteca de Fotos Científicas

Outro conjunto de observações sugere que talvez precisemos fazer mais do que apenas mexer. Durante anos, um pequeno grupo de cosmólogos tem apontado que os vastos vazios em forma de bolha em torno dos quais as galáxias estão enfileiradas em filamentos e aglomerados fazem o universo parecer suspeitosamente não homogêneo. O mesmo vale para vastas paredes feitas de galáxias e superaglomerados galácticos. Então, no ano passado, a descoberta de uma cadeia gigante de galáxias que se estende por 3 bilhões de anos-luz no céu, conhecida como Arco Gigante, deu um novo impulso às questões sobre o princípio cosmológico no qual o modelo padrão se baseia.

O argumento não é apenas que esses valores discrepantes fornecem mais evidências contra a homogeneidade nas maiores escalas. É também que a atração gravitacional de tais estruturas gigantes é o que cria fluxos de matéria que flutuam como a brisa, conhecidos como “fluxos a granel”. Estes podem viajar a centenas de quilômetros por segundo e se estender até um bilhão de anos-luz. “Também houve relatos de fluxos de massa extremos, muito maiores e muito mais rápidos, mas não foram confirmados”, diz Christos Tsagas, da Universidade Aristóteles de Thessaloniki, na Grécia, que está construindo modelos cosmológicos “inclinados” que incluem tais fluxos rápidos. fluxos de matéria em movimento.

Tsagas diz que estamos em um fluxo de massa. Vivemos na Terra, que orbita o Sol, que orbita a Via Láctea, que é puxada para Andrômeda, a grande galáxia mais próxima da Terra, bem como para aglomerados de galáxias como Virgem, superaglomerados como o Grande Atrator e talvez até pedaços de matéria além do horizonte do que podemos ver. Nossa perspectiva é inclinada em relação à expansão simétrica do universo como um todo.

Como resultado, diz Tsagas, podemos acabar com uma falsa impressão sobre a energia escura. Vemos a expansão do universo acelerando e, no entanto, sua expansão também pode estar desacelerando em geral. Pense em dirigir por uma rodovia onde todos os carros estão viajando na mesma velocidade quando, de repente, seu motor para e você começa a desacelerar. Do seu ponto de vista, parece que os outros carros estão acelerando. De maneira semelhante, se o fluxo de massa em que estamos está desacelerando, então o universo circundante parece estar acelerando – criando a ilusão de uma misteriosa força expansiva.

Isso seria um grande negócio, é claro. Mas Subir Sarkar, da Universidade de Oxford, quer que avancemos ainda mais. Ele afirma ter encontrado evidências de que todo o universo está fundamentalmente distorcido – e, portanto, que o princípio cosmológico está quebrado.

Novamente, começa com o CMB, que mais ou menos brilha com a mesma temperatura em todas as direções. Não exatamente, no entanto. Parece desequilibrado para nós, principalmente porque a Terra está girando em torno da Via Láctea a centenas de quilômetros por segundo. Assim como a frequência de uma sirene de ambulância é distorcida à medida que passa por você, a CMB é distorcida pelo nosso movimento no universo.

Na década de 1980, George Ellis, agora na Universidade da Cidade do Cabo, na África do Sul, surgiu com uma maneira de usar essa distorção para verificar se o modelo padrão obedece ao princípio cosmológico. A ideia era que deveríamos ver exatamente a mesma distorção em galáxias muito distantes porque, como a CMB, as galáxias distantes agem como um fundo fixo contra o qual podemos medir nosso próprio movimento. “Se esses dois não corresponderem com muita precisão, seu modelo FLRW padrão está com grandes problemas”, diz Ellis.

Obter bons dados sobre galáxias muito distantes é difícil, pois são muito fracos e difíceis de distinguir em meio a objetos astronômicos mais próximos de casa. Os astrofísicos conseguiram realizar o teste em 2002 graças a um grande catálogo de galáxias, chamado NVSS, reunido pelo telescópio Very Large Array no Novo México. Isso mostrou que nosso movimento através do universo concordava bastante bem com o CMB. E, no entanto, o número relativamente pequeno de galáxias e a ambiguidade de quão longe elas realmente estão deixaram espaço para especulações.

“Percebemos que era necessário um catálogo melhor”, diz Sarkar, que em 2019 se uniu a Nathan Secrest, astrônomo do Observatório Naval dos EUA em Washington DC. Secrest ofereceu a Sarkar e seus colegas um catálogo de 1,4 milhão de quasares, conhecidos como catWISE, reunidos pelo telescópio espacial WISE. Quasares são jatos de luz muito brilhantes alimentados por buracos negros supermassivos no centro das galáxias. Comparado com o NVSS, o catWISE tem muito mais fontes espalhadas por todo o céu em vez de apenas uma parte dele – importante se você estiver tentando avaliar o quão distorcido o universo é geral.

Quasar in deep space
Quasares têm sido usados para medir nosso movimento no universo
Panther Media GmbH / Alamy

No ano passado, Sarkar, Secrest e seus colegas relataram uma distorção na distribuição de quasares que estava em uma direção semelhante à inclinação do CMB, mas duas vezes maior do que o esperado se o movimento da Terra fosse a única causa. A implicação é que, em vez de apenas fluxos em massa que se espalham por grandes partes do universo, o universo inteiro também pode estar à deriva. Em outras palavras, de acordo com Sarkar, o andaime subjacente pode ser fundamentalmente distorcido.

Uma maneira de imaginar isso é imaginar que tudo está sendo puxado em uma determinada direção por algo que não podemos ver, embora a questão de como tal distorção possa ter ocorrido seja aberta. Pode ter sido gravado no universo primordial, por exemplo, ou apareceu muito mais tarde, quando a matéria se agrupou – talvez em uma escala imensa fora do nosso universo observável.

Em qualquer caso, as implicações seriam profundas. “O que encontramos nesses quasares está questionando o princípio cosmológico”, diz a coautora Roya Mohayaee, do Instituto de Astrofísica de Paris, na França.

Se Sarkar e seus colegas estiverem certos, também seria ridiculamente inconveniente. Isso significaria voltar às equações de Einstein para ver quais outras soluções poderiam se encaixar em nosso universo. Além da solução FLRW suave e uniforme, existem cerca de 20 outras opções para brincar. Alguns assumem que o universo é liso, mas não uniforme (as soluções de Bianchi), alguns assumem que é uniforme, mas não liso (as soluções de Lemaître-Tolman-Bondi) e alguns assumem que não é. Uma ideia, chamada de modelo do queijo suíço, escava buracos esféricos espalhados pelo universo e os preenche com buracos negros.

“O escopo matemático para analisar esses problemas é… bastante grande”, diz Gary Gibbons, da Universidade de Cambridge. “Mas é uma questão de você sentir ou não ter uma imagem satisfatória.” Por um lado, a liberdade nessas outras soluções deve oferecer ampla possibilidade de resolver quebra-cabeças cosmológicos, como o que é a energia escura ou se ela existe. Por outro lado, ninguém sabe se essas soluções muito mais complicadas podem corresponder ao intrincado mapa do universo que já temos.

Uma nova cosmologia
E aí está o problema. Mudar para uma estrutura cosmológica inteiramente nova exigiria maneiras inteiramente novas de analisar dados que não suponham que todas as direções sejam as mesmas – o que é uma maneira de explicar por que os cosmólogos têm sido tão relutantes em aceitar isso. “Estamos em uma posição nada invejável, pois a maioria de nossos colegas nem quer saber disso”, diz Sarkar.

Por sua vez, os céticos apontam para resultados conflitantes ou inconclusivos sobre a questão de uma distorção na estrutura em grande escala do universo. “Não fiquei muito animado com isso”, diz George Smoot, da Universidade da Califórnia, Berkeley. Outros dizem que estudos de objetos distantes como quasares estão cheios de erros potenciais. “Nenhuma dessas observações é particularmente bem verificada”, diz Chris Clarkson, da Queen Mary University of London.

Mohayaee diz que tais demissões são “injustas”. “Colocamos todos os nossos dados, nossos códigos e simulações online. Eu adoraria ver isso provado errado, então, por favor, venha e nos mostre”, diz ela. Em uma pesquisa a ser publicada em breve, a equipe cruzou sua análise do catWISE com uma análise limpa do catálogo NVSS para construir um argumento ainda mais forte para um universo distorcido.

Mas mesmo as pessoas que pensam que os dados e as análises são sólidos veem poucas razões para considerar seriamente essa possibilidade. Peebles diz que, em vez de sugerir um universo distorcido, os dados podem ser explicados se os quasares se agruparem muito mais do que outros tipos de matéria nessas escalas. Por enquanto, ele diz que continua “profundamente impressionado com a rede apertada de testes bem verificados” que o modelo padrão passa. É possível que haja outra teoria abrangente que concorde com todas as medidas, bem como com o modelo que temos, diz Peebles. “Eu nunca posso refutar isso, mas posso me perguntar: ‘Parece provável?’”

Sarkar não vê razão para que este modelo, construído sobre o princípio cosmológico, não possa ficar ao lado de outro, no qual o universo é fundamentalmente distorcido. Em vez de uma única cosmologia que descreve tudo, ele argumenta que diferentes modelos podem ser aplicados em diferentes épocas e depois costurados.

Uma nova geração de telescópios está pronta para oferecer alguma clareza. No próximo ano, o Observatório Vera C. Rubin, no Chile, começará a fazer observações e o telescópio espacial Euclides deverá ser lançado. Enquanto isso, o Square Kilometer Array continua aumentando sua vasta rede de antenas de rádio na África do Sul e na Austrália. Entre eles, esses observatórios vasculharão o céu noturno, observando bilhões de galáxias muito distantes em uma grande faixa do céu.

The Square Kilometre Array
O observatório Square Kilometer Array pode ajudar a testar o princípio cosmológico
Michale Goh/ICRAR-Curtin

Isso torna possível um teste muito mais preciso do princípio cosmológico. Ruth Durrer, da Universidade de Genebra, na Suíça, propõe o uso de diferentes tipos de medição de cada telescópio para desvendar se o CMB desequilibrado é inteiramente devido ao movimento da Terra no universo ou se há também uma inclinação fundamental. Outra abordagem seria testar o princípio copernicano, a partir do qual o princípio cosmológico cresceu, imaginando como o CMB se parece com observadores distantes. Se nossa vantagem da Terra não é nada especial, então o CMB deve ter a mesma aparência. “Há apenas uma década, as pessoas diziam que é uma suposição filosófica que não pode ser testada, mas realmente parece que pode”, diz Clarkson.

Princípios em jogo
Você faz isso estudando aglomerados de galáxias, onde partículas carregadas desviam fótons de luz de seu caminho original, às vezes enviando-os em direção à Terra. Os fótons da CMB que são espalhados dessa maneira podem nos dar uma imagem aproximada de como a CMB se parece a um observador hipotético naquele aglomerado de galáxias. “Se um monte de observadores diferentes veem um fundo isotrópico de micro-ondas cósmicas, isso realmente força você a entrar no princípio cosmológico”, diz Clarkson – e se não o fizerem, bem, todas as apostas estão perdidas.

Não é difícil ver por que muitos cosmólogos relutam em descartar um modelo de universo muito bem-sucedido, embora imperfeito. “As pessoas não gostam quando você entra no jardim deles, que eles plantam há anos, e depois pisa no meio do canteiro de rosas”, diz Durrer.

E, no entanto, Sarkar insiste que a cosmologia deve ser liderada por observações, e não por dogmas. “Todas as grandes descobertas foram feitas simplesmente construindo um instrumento, apontando-o para o céu e olhando”, diz ele. “Astronomia é tudo sobre serendipidade.”

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