Expansão do universo pode não ser a mesma em todas as direções

Uma das ideias fundamentais da cosmologia é que tudo parece igual em todas as direções se olharmos para distâncias grandes o suficiente. Um novo estudo que utiliza dados do Observatório de Raios-X Chandra da NASA e do XMM-Newton da ESA está desafiando essa noção básica. 

Este gráfico contém um mapa de todo o céu e mostra quatro das centenas de aglomerados de galáxias que foram analisados para testar se o Universo é o mesmo em todas as direções em grandes escalas. Créditos: NASA/CXC/Univ. de Bona/K. Migkas et al.; Ilustração: NASA/CXC/M. Weiss

Os astrônomos utilizaram dados de raios X destes observatórios em órbita para estudar centenas de enxames de galáxias, as maiores estruturas do Universo mantidas unidas pela gravidade, e como as suas propriedades aparentes diferem no céu.  

“Um dos pilares da cosmologia – o estudo da história e do destino de todo o universo – é que o universo é ‘isotrópico’, ou seja, o mesmo em todas as direções”, disse Konstantinos Migkas, da Universidade de Bonn, na Alemanha, que liderou o novo estudo. “Nosso trabalho mostra que pode haver rachaduras nesse pilar.” 

Os astrônomos geralmente concordam que após o Big Bang, o cosmos expandiu-se continuamente. Uma analogia comum é que essa expansão é como um pão de passas assado. À medida que o pão assa, as passas (que representam objetos cósmicos como galáxias e aglomerados de galáxias) se afastam umas das outras à medida que todo o pão (representando o espaço) se expande. Com uma mistura uniforme, a expansão deveria ser uniforme em todas as direções, como deveria ser com um universo isotrópico. Mas estes novos resultados podem não corresponder a esse quadro. 

“Com base nas nossas observações de aglomerados, podemos ter encontrado diferenças na rapidez com que o Universo se expande, dependendo da direção que olhamos”, disse o coautor Gerrit Schellenberger, do Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA) em Cambridge, Massachusetts. “Isso contradiria uma das suposições subjacentes mais básicas que usamos hoje na cosmologia.” 

Os cientistas já realizaram muitos testes para saber se o universo é o mesmo em todas as direções. Isso incluiu o uso de observações ópticas de estrelas explodidas e estudos infravermelhos de galáxias. Alguns destes esforços anteriores produziram possíveis evidências de que o Universo não é isotrópico, e outros não. 

Este último teste utiliza uma técnica poderosa, nova e independente. Ele capitaliza a relação entre a temperatura do gás quente que permeia um aglomerado de galáxias e a quantidade de raios X que ele produz, conhecida como luminosidade de raios X do aglomerado. Quanto maior a temperatura do gás em um aglomerado, maior será a luminosidade dos raios X. Uma vez medida a temperatura do gás do aglomerado, a luminosidade dos raios X pode ser estimada. Este método é independente de quantidades cosmológicas, incluindo a velocidade de expansão do universo. 

Depois de estimarem as luminosidades de raios X dos seus aglomerados utilizando esta técnica, os cientistas calcularam então as luminosidades utilizando um método diferente que depende de quantidades cosmológicas, incluindo a velocidade de expansão do Universo. Os resultados deram aos investigadores aparentes velocidades de expansão por todo o céu – revelando que o Universo parece estar a afastar-se de nós mais rapidamente em algumas direções do que noutras. 

A equipe também comparou este trabalho com estudos de outros grupos que encontraram indícios de falta de isotropia utilizando diferentes técnicas. Eles encontraram um bom acordo sobre a direção da menor taxa de expansão. 

Os autores deste novo estudo apresentaram duas explicações possíveis para seus resultados que envolvem a cosmologia. Uma destas explicações é que grandes grupos de enxames de galáxias podem estar a mover-se juntos, mas não por causa da expansão cósmica. Por exemplo, é possível que alguns aglomerados próximos estejam sendo puxados na mesma direção pela gravidade de grupos de outros aglomerados de galáxias. Se o movimento for rápido o suficiente, poderá levar a erros na estimativa das luminosidades dos aglomerados. 

Esses tipos de movimentos correlacionados dariam a aparência de diferentes taxas de expansão em diferentes direções. Os astrônomos observaram efeitos semelhantes em galáxias relativamente próximas, a distâncias normalmente inferiores a 850 milhões de anos-luz, onde se sabe que a atração gravitacional mútua controla o movimento dos objetos. No entanto, os cientistas esperavam que a expansão do Universo dominasse o movimento dos aglomerados através de distâncias maiores, até aos 5 bilhões de anos-luz investigados neste novo estudo. 

Uma segunda explicação possível é que o universo não é realmente o mesmo em todas as direções. Uma razão intrigante poderia ser que a energia escura – a força misteriosa que parece estar impulsionando a aceleração da expansão do universo – não é em si uniforme. Por outras palavras, os raios X podem revelar que a energia escura é mais forte em algumas partes do Universo do que noutras, causando diferentes taxas de expansão. 

“Seria como se o fermento no pão não estivesse misturado uniformemente, fazendo com que ele se expandisse mais rapidamente em alguns lugares do que em outros”, disse o coautor Thomas Reiprich, também da Universidade de Bonn. “Seria notável se se descobrisse que a energia escura tem intensidades diferentes em diferentes partes do universo. No entanto, seriam necessárias muito mais evidências para descartar outras explicações e apresentar um caso convincente.” 

Qualquer uma destas duas explicações cosmológicas teria consequências significativas. Muitos estudos em cosmologia, incluindo estudos de raios X de aglomerados de galáxias, assumem que o universo é isotrópico e que os movimentos correlacionados são insignificantes em comparação com a expansão cósmica nas distâncias aqui sondadas. 

A equipe utilizou uma amostra de 313 aglomerados de galáxias para sua análise, contendo 237 aglomerados observados pelo Chandra com um total de 191 dias de exposição, e 76 observados pelo XMM-Newton, com um total de 35 dias de exposição. Eles também combinaram sua amostra de aglomerados de galáxias com duas outras grandes amostras de raios X, usando dados do XMM-Newton e do Satélite Avançado para Cosmologia e Astrofísica Japão-EUA (ASCA), dando um total de 842 aglomerados de galáxias diferentes. Eles encontraram um resultado semelhante usando a mesma técnica.

Fonte: nasa.gov