A energia escura inicial pode resolver os dois maiores enigmas da cosmologia

Nos primeiros bilhões de anos do universo, essa força breve e misteriosa pode ter produzido galáxias mais brilhantes do que a teoria prevê. 

 A energia escura inicial pode ter desencadeado a formação de inúmeras galáxias brilhantes, bem cedo no universo, segundo um novo estudo. A misteriosa força desconhecida pode ter feito com que as primeiras sementes de galáxias (representadas à esquerda) brotassem muito mais galáxias brilhantes (à direita) do que a teoria prevê. Créditos:Imagem: Josh Borrow/Equipe Thesan

Nos primeiros bilhões de anos do universo, essa força breve e misteriosa poderia ter produzido galáxias mais brilhantes do que a teoria prevê. Um novo estudo de físicos do MIT propõe que uma força misteriosa conhecida como energia escura inicial poderia resolver dois dos maiores quebra-cabeças da cosmologia e preencher algumas lacunas importantes em nossa compreensão de como o universo inicial evoluiu.

Um quebra-cabeça em questão é a “tensão de Hubble”, que se refere a uma incompatibilidade nas medições de quão rápido o universo está se expandindo. O outro envolve observações de inúmeras galáxias brilhantes iniciais que existiam em uma época em que o universo inicial deveria ter sido muito menos povoado.

Agora, a equipe do MIT descobriu que ambos os quebra-cabeças poderiam ser resolvidos se o universo inicial tivesse um ingrediente extra e fugaz: energia escura inicial. A energia escura é uma forma desconhecida de energia que os físicos suspeitam estar impulsionando a expansão do universo hoje. A energia escura inicial é um fenômeno hipotético semelhante que pode ter feito apenas uma breve aparição, influenciando a expansão do universo em seus primeiros momentos antes de desaparecer completamente.

Alguns físicos suspeitaram que a energia escura inicial poderia ser a chave para resolver a tensão de Hubble, já que a força misteriosa poderia acelerar a expansão inicial do universo em uma quantidade que resolveria a incompatibilidade de medição.

Os pesquisadores do MIT descobriram agora que a energia escura inicial também poderia explicar o número desconcertante de galáxias brilhantes que os astrônomos observaram no universo inicial. Em seu novo estudo, relatado no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, a equipe modelou a formação de galáxias nas primeiras centenas de milhões de anos do universo. Quando eles incorporaram um componente de energia escura apenas naquele primeiro pedaço de tempo, eles descobriram que o número de galáxias que surgiram do ambiente primordial floresceu para se adequar às observações dos astrônomos.

“Você tem esses dois quebra-cabeças abertos iminentes”, diz o coautor do estudo Rohan Naidu, um pós-doutorado no Instituto Kavli de Astrofísica e Pesquisa Espacial do MIT. “Descobrimos que, de fato, a energia escura inicial é uma solução muito elegante e esparsa para dois dos problemas mais urgentes da cosmologia.”

Os coautores do estudo incluem o autor principal e pós-doutorado de Kavli, Xuejian (Jacob) Shen, e o professor de física do MIT, Mark Vogelsberger, junto com Michael Boylan-Kolchin na Universidade do Texas em Austin, e Sandro Tacchella na Universidade de Cambridge.

Luzes de grandes cidades

Com base em modelos cosmológicos e de formação de galáxias padrão, o universo deveria ter levado seu tempo para girar as primeiras galáxias. Levaria bilhões de anos para o gás primordial se fundir em galáxias tão grandes e brilhantes quanto a Via Láctea.

Mas em 2023, o Telescópio Espacial James Webb da NASA fez uma observação surpreendente. Com a capacidade de olhar mais para trás no tempo do que qualquer observatório até hoje, o telescópio descobriu um número surpreendente de galáxias brilhantes tão grandes quanto a Via Láctea moderna nos primeiros 500 milhões de anos, quando o universo tinha apenas 3% de sua idade atual.

“As galáxias brilhantes que o James Webb viu seriam como ver um aglomerado de luzes ao redor de grandes cidades, enquanto a teoria prevê algo como a luz ao redor de cenários mais rurais como o Parque Nacional de Yellowstone”, diz Shen. “E não esperamos esse aglomerado de luz tão cedo.”

Para os físicos, as observações implicam que há algo fundamentalmente errado com a física subjacente aos modelos ou um ingrediente ausente no universo inicial que os cientistas não contabilizaram. A equipe do MIT explorou a possibilidade do último, e se o ingrediente ausente poderia ser a energia escura inicial.

Os físicos propuseram que a energia escura inicial é um tipo de força antigravitacional que é ativada apenas em momentos muito iniciais. Essa força neutralizaria a atração da gravidade para dentro e aceleraria a expansão inicial do universo, de uma forma que resolveria a incompatibilidade nas medições. A energia escura inicial, portanto, é considerada a solução mais provável para a tensão de Hubble.

Esqueleto da galáxia

A equipe do MIT explorou se a energia escura inicial também poderia ser a chave para explicar a população inesperada de galáxias grandes e brilhantes detectadas pelo James Webb. Em seu novo estudo, os físicos consideraram como a energia escura inicial poderia afetar a estrutura inicial do universo que deu origem às primeiras galáxias. Eles se concentraram na formação de halos de matéria escura – regiões do espaço onde a gravidade é mais forte e onde a matéria começa a se acumular.

“Acreditamos que os halos de matéria escura são o esqueleto invisível do universo”, explica Shen. “As estruturas de matéria escura se formam primeiro e, então, as galáxias se formam dentro dessas estruturas. Então, esperamos que o número de galáxias brilhantes seja proporcional ao número de grandes halos de matéria escura.”

A equipe desenvolveu uma estrutura empírica para a formação inicial de galáxias, que prevê o número, a luminosidade e o tamanho das galáxias que devem se formar no universo inicial, dadas algumas medidas de “parâmetros cosmológicos”. Os parâmetros cosmológicos são os ingredientes básicos, ou termos matemáticos, que descrevem a evolução do universo.

Físicos determinaram que há pelo menos seis parâmetros cosmológicos principais, um dos quais é a constante de Hubble – um termo que descreve a taxa de expansão do universo. Outros parâmetros descrevem flutuações de densidade na sopa primordial, imediatamente após o Big Bang, da qual halos de matéria escura eventualmente se formam.

A equipe do MIT raciocinou que se a energia escura inicial afeta a taxa de expansão inicial do universo, de uma forma que resolve a tensão de Hubble, então ela poderia afetar o equilíbrio dos outros parâmetros cosmológicos, de uma forma que poderia aumentar o número de galáxias brilhantes que aparecem em tempos iniciais. Para testar sua teoria, eles incorporaram um modelo de energia escura inicial (o mesmo que resolve a tensão de Hubble) em uma estrutura empírica de formação de galáxias para ver como as primeiras estruturas de matéria escura evoluem e dão origem às primeiras galáxias.

“O que mostramos é que a estrutura esquelética do universo primitivo é alterada de uma forma sutil, onde a amplitude das flutuações aumenta, e você obtém halos maiores e galáxias mais brilhantes que estavam no lugar em épocas anteriores, mais do que em nossos modelos mais comuns”, diz Naidu. “Isso significa que as coisas eram mais abundantes e mais agrupadas no universo primitivo.”

“A priori, eu não esperaria que a abundância das galáxias brilhantes iniciais do James Webb tivesse algo a ver com a energia escura inicial, mas sua observação de que a EDE empurra os parâmetros cosmológicos em uma direção que aumenta a abundância da galáxia inicial é interessante”, diz Marc Kamionkowski, professor de física teórica na Universidade Johns Hopkins, que não estava envolvido no estudo. “Acho que mais trabalho precisará ser feito para estabelecer uma ligação entre as galáxias iniciais e a EDE, mas independentemente de como as coisas aconteçam, é uma coisa inteligente – e, espero, em última análise, frutífera – para tentar.”

“Demonstramos o potencial da energia escura inicial como uma solução unificada para os dois principais problemas enfrentados pela cosmologia. Isso pode ser uma evidência de sua existência se as descobertas observacionais do James Webb forem consolidadas ainda mais”, conclui Vogelsberger. “No futuro, podemos incorporar isso em grandes simulações cosmológicas para ver quais previsões detalhadas obtemos.”

Fonte: news.mit.edu