O universo está se expandindo mais rápido do que a teoria prevê – os físicos estão tentando explicar a incompatibilidade

Os astrónomos sabem há décadas que o Universo está em expansão. Quando usam telescópios para observar galáxias distantes, eles veem que essas galáxias estão se afastando da Terra.

A imagem de campo profundo do Telescópio Espacial James Webb mostra um universo cheio de galáxias brilhantes. Crédito: NASA/STScI 

Para os astrônomos, o comprimento de onda da luz que uma galáxia emite é maior quanto mais rápido a galáxia se afasta de nós. Quanto mais distante a galáxia está, mais sua luz se deslocou em direção aos comprimentos de onda mais longos no lado vermelho do espectro – portanto, maior será o “desvio para o vermelho”.

Como a velocidade da luz é finita, rápida, mas não infinitamente rápida, ver algo distante significa que estamos olhando para a coisa como ela era no passado. Com galáxias distantes e com alto desvio para o vermelho, estamos vendo a galáxia quando o universo estava em um estado mais jovem. Portanto, “alto redshift” corresponde aos primeiros tempos do universo, e “baixo redshift” corresponde aos últimos tempos do universo.

Mas à medida que os astrónomos estudaram estas distâncias, aprenderam que o Universo não está apenas a expandir-se – a sua taxa de expansão está a acelerar. E essa taxa de expansão é ainda mais rápida do que a teoria principal prevê que deveria ser, deixando cosmólogos como eu perplexos e à procura de novas explicações.

Energia escura e uma constante cosmológica

Os cientistas chamam a fonte dessa aceleração de energia escura. Não temos certeza do que impulsiona a energia escura ou como ela funciona, mas achamos que seu comportamento poderia ser explicado por uma constante cosmológica , que é uma propriedade do espaço-tempo que contribui para a expansão do universo.

Albert Einstein criou originalmente esta constante – ele marcou-a com um lambda na sua teoria da relatividade geral. Com uma constante cosmológica , à medida que o universo se expande, a densidade de energia da constante cosmológica permanece a mesma.

Imagine uma caixa cheia de partículas. Se o volume da caixa aumentar, a densidade das partículas diminuirá à medida que se espalham para ocupar todo o espaço da caixa. Agora imagine a mesma caixa, mas à medida que o volume aumenta, a densidade das partículas permanece a mesma.

Não parece intuitivo, certo? O fato de a densidade de energia da constante cosmológica não diminuir à medida que o universo se expande é, obviamente, muito estranho, mas essa propriedade ajuda a explicar a aceleração do universo.

Um modelo padrão de cosmologia

No momento, a principal teoria, ou modelo padrão , da cosmologia é chamada de "Lambda CDM ". Lambda denota a constante cosmológica que descreve a energia escura, e CDM significa matéria escura fria. Este modelo descreve tanto a aceleração do Universo nas suas fases finais como a taxa de expansão nos seus primeiros dias.

O universo está se expandindo mais rápido do que o previsto pelos modelos populares em cosmologia. Crédito: NASA

Especificamente, o Lambda CDM explica observações da radiação cósmica de fundo, que é o brilho residual da radiação de microondas de quando o universo estava em um “estado quente e denso ”, cerca de 300.000 anos após o Big Bang. Observações usando o satélite Planck , que mede a radiação cósmica de fundo , levaram os cientistas a criar o modelo Lambda CDM.

Ajustar o modelo Lambda CDM à radiação cósmica de fundo permite aos físicos prever o valor da constante de Hubble , que não é na verdade uma constante, mas uma medida que descreve a atual taxa de expansão do universo.

Mas o modelo Lambda CDM não é perfeito. A taxa de expansão que os cientistas calcularam medindo as distâncias às galáxias, e a taxa de expansão descrita no Lambda CDM usando observações da radiação cósmica de fundo , não se alinham. Os astrofísicos chamam essa discordância de tensão de Hubble.

A tensão de Hubble

Nos últimos anos, tenho pesquisado maneiras de explicar essa tensão do Hubble. A tensão pode indicar que o modelo Lambda CDM está incompleto e os físicos deveriam modificar o seu modelo, ou pode indicar que é hora dos pesquisadores apresentarem novas ideias sobre como o universo funciona. E novas ideias são sempre as coisas mais interessantes para um físico.

Uma maneira de explicar a tensão de Hubble é modificar o modelo Lambda CDM, alterando a taxa de expansão em baixo desvio para o vermelho, em momentos tardios do universo. Modificar o modelo desta forma pode ajudar os físicos a prever que tipo de fenómenos físicos podem estar a causar a tensão de Hubble.

Por exemplo, talvez a energia escura não seja uma constante cosmológica , mas sim o resultado da ação da gravidade de novas maneiras. Se for este o caso, a energia escura evoluiria à medida que o Universo se expande – e a radiação cósmica de fundo em micro-ondas , que mostra como era o Universo apenas alguns anos após a sua criação, teria uma previsão diferente para a constante de Hubble.

Mas a investigação mais recente da minha equipa descobriu que os físicos não conseguem explicar a tensão de Hubble apenas alterando a taxa de expansão no universo tardio – toda esta classe de soluções é insuficiente.

Desenvolvendo novos modelos

Para estudar que tipos de soluções poderiam explicar a tensão de Hubble, desenvolvemos ferramentas estatísticas que nos permitiram testar a viabilidade de toda a classe de modelos que alteram a taxa de expansão no universo tardio. Estas ferramentas estatísticas são muito flexíveis e utilizámo-las para combinar ou imitar diferentes modelos que poderiam potencialmente ajustar-se às observações da taxa de expansão do Universo e oferecer uma solução para a tensão de Hubble.

Os modelos que testamos incluem modelos de energia escura em evolução, onde a energia escura atua de forma diferente em diferentes momentos do universo. Também testamos modelos de interação entre energia escura e matéria escura, onde a energia escura interage com a matéria escura, e modelos de gravidade modificados, onde a gravidade atua de maneira diferente em diferentes momentos do universo.

Mas nada disso poderia explicar completamente a tensão do Hubble. Estes resultados sugerem que os físicos deveriam estudar o universo primitivo para compreender a fonte da tensão.

Fonte: Phys.org