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Medidas da taxa de expansão do universo implicam em anomalias desconhecidas?

Uma das maiores “crises” da astrofísica moderna é a tensão de Hubble: diferentes métodos de medição da taxa de expansão do universo trazem diferentes resultados. Isso é um grande problema, pois pode significar que os cientistas estão interpretando erroneamente os dados que coletaram em suas pesquisas.

O universo está em constante expansão, cada vez mais acelerada, devido a uma força desconhecida que os físicos chamam de “energia escura”. Isso foi descoberto de modo incontestável por Edwin Hubble em 1929.

Hubble também criou uma unidade — a constante de Hubble — para descrever a taxa dessa expansão. Na época, Hubble mediu o valor em 501 km/s para cada Mpc, mas os pesquisadores refinaram a atual taxa para 74 km/s/Mpc.

Isso significa que o cosmos atualmente se expande cerca de 74 km/s mais rápido a cada 3,26 milhões de anos-luz (1 megaparsec, ou Mpc). Por outro lado, usando a radiação cósmica de fundo (uma luz remanescente do Big Bang), os resultados são bem diferentes.

O problema é que os astrônomos ainda não conseguem explicar essas discrepâncias com os modelos cosmológicos atuais. Pior, se diferentes eras do universo mostram diferentes resultados, a constante de Hubble pode ser, na verdade, inconstante, e ninguém sabe o que poderia causar essas mudanças.

Métodos de medição da constante de Hubble

Medições das propriedades como brilho ou tamanho de objetos cósmicos podem servir como "velas" para determinar como o universo se expandiu (Imagem: Reprodução/NASA/JPL-Caltech)
Medições das propriedades como brilho ou tamanho de objetos cósmicos podem servir como "velas" para determinar como o universo se expandiu (Imagem: Reprodução/NASA/JPL-Caltech)

Ao medir a constante de Hubble por meio da radiação cósmica de fundo (podemos chamá-la pela sigla em inglês CMB, ou de luz fóssil), os cientistas chegam a um resultado de 67 km/s/Mpc.

Na época em que a CMB foi emitida, a luz percorria através de um plasma e ainda não havia estrelas ou galáxias. Quando esses objetos começaram a se formar, o universo já havia passado por algumas mudanças.

Ao medir a constante de Hubble a partir de supernovas — explosões de estrelas quando elas chegam ao fim de suas vidas — os cientistas chegam ao resultado de 74 km/s/Mpc. Pode fazer sentido que em eras diferentes do universo a taxa de expansão mude, mas… não deveria ser assim.

Por isso, diferentes propostas foram apresentadas, como uma possível inconstância na taxa de expansão ao longo do tempo. Isso implica que o resultado deve ter uma dependência intrínseca com a distância (e, portanto, a idade) dos objetos usados para as medições.

Anomalias

Sob a ótica dos modelos cosmológicos atualmente aceitos, a tensão de Hubble é uma anomalia, pois apresenta uma imperfeição cósmica. Mas existem ainda outras coisas estranhas acontecendo no universo que tornam o problema ainda mais difíceis de resolver.

Princípio cosmológico

O princípio cosmológico diz que a massa é distribuída igualmente e o universo parece o mesmo em todas as direções (isotropia) e em todos os locais, onde quer que você esteja (homogeneidade). Com essa noção, os cientistas podem garantir que as forças atuam uniformemente em todo o universo.

Além disso, implica que o cosmos não produz nenhuma irregularidade na estrutura em grande escala. Assim, tudo que podemos ver veio a partir do que foi inicialmente estabelecido pelo Big Bang.

No entanto, algumas descobertas apontam que existem algumas violações do princípio cosmológico, especialmente da isotropia. Essas violações colocaram modelos cosmológicos em xeque e alguns físicos sugerem que o princípio já está obsoleto.

Anisotropia

Quando a radiação cósmica de fundo foi observada pela primeira vez em 1965, os cientistas tiveram a maior evidência até então do Big Bang. Se a luz fóssil fosse visível ao olho humano, todo o céu noturno seria como a imagem abaixo.

Simulação da radiação cósmica de fundo se pudéssemos vê-la, conforme o que foi descoberto em 1965 (Imagem: Reprodução/NASA/WMAP Science Team)
Simulação da radiação cósmica de fundo se pudéssemos vê-la, conforme o que foi descoberto em 1965 (Imagem: Reprodução/NASA/WMAP Science Team)

Como podemos observar, a imagem é praticamente uniforme, com exceção da faixa horizonta, que representa a Via Láctea (os telescópios não podiam ver através de nossa galáxia).

A CMB também revela dados sobre a morfologia do universo infantil. Essa apresentação uniforme significa que o nosso cosmos era isotrópico, ou seja, igual quando visto em grande escala, não importando para onde olharmos.

Apesar disso, existem regiões que parecem superdensas e outras de densidade muito menor do que deveriam. Na imagem abaixo, os pontos azuis na luz fóssil representam regiões onde há uma maior atração gravitacional por serem mais densas, enquanto os pontos em vermelho são “poços” gravitacionais, com menos atração.

Distribuição de regiões superdensas e subdensas na radiação cósmica de fundo, ou luz fóssil do universo (Imagem: Reprodução/EM Huff/SDSS-III/South Pole Telescope/Zosia Rostomian)
Distribuição de regiões superdensas e subdensas na radiação cósmica de fundo, ou luz fóssil do universo (Imagem: Reprodução/EM Huff/SDSS-III/South Pole Telescope/Zosia Rostomian)

Lembre-se, a CMB é a primeira luz visível do universo após o Big Bang. Essas regiões azuis e vermelhas indicam que, com o tempo, algumas regiões (as superdensas) terão muito mais probabilidade de se transformar em estrelas, galáxias e aglomerados, enquanto outras (subdensas) terão menos probabilidade de fazê-lo.

Tais imperfeições na luz fóssil e na estrutura em grande escala do universo não são necessariamente uma violação da isotropia, mas há casos como a KBC Void, uma região de grande “vazio” que mede aproximadamente 2 bilhões de anos-luz (600 megaparsecs).

Nosso superaglomerado de galáxias Lanikea, uma mega-estrutura onde se encontra a Via Láctea e o Grupo Local de galáxias, está localizado dentro do KBC Void. Considere a dimensão disso: esse “vazio” é tão descomunal que um superaglomerado em seu interior parece pequeno.

Dipolo DMB

A Terra se move em torno do Sol, que orbita o centro da Via Láctea, que por sua vez orbita o centro do Grupo Local de Galáxias. O Grupo Local cai em direção ao Aglomerado de Galáxias de Virgem. Até aqui, nenhuma novidade.

Mas as velocidades desses movimentos são menores que a velocidade com que todos esses objetos juntos se movem em relação à CMB, conforme vemos no mapa atualizado da luz fóssil de 1993.

Este mapa de 1993 indica que o Grupo Local se move a cerca de 620 quilômetros por segundo em relação à radiação cósmica de fundo (Imagem: Reprodução/DMR/COBE/NASA)
Este mapa de 1993 indica que o Grupo Local se move a cerca de 620 quilômetros por segundo em relação à radiação cósmica de fundo (Imagem: Reprodução/DMR/COBE/NASA)

A luz fóssil mapeada acima aparece azulada na direção do movimento da Terra, o que também significa que ela é mais quente. Já no lado oposto, do qual a Terra está se afastando, a CMB é desviada para o vermelho, ficando mais fria.

Este mapa indica que o Grupo Local se move a cerca de 620 quilômetros por segundo em relação à CMB. Essa velocidade pegou os cientistas desprevenidos, pois ninguém esperava um valor tão alto, e ninguém ainda soube explicar por que estamos nos movendo tão rápido.

Talvez isso ocorra por causa daquelas imperfeições cósmicas nas regiões de superdensidade e subdensidade na distribuição de matéria — que, novamente, não implica necessariamente na violação da isotropia.

Distribuição de galáxias em grande escala

O agrupamento de quasares em destaque mostra um sinal maior que o previsto em uma direção, com contagens de quasar mais altas. O oposto, com contagens mais baixas, acontece no lado inferior (Imagem: Reprodução/NASA/JPL-Caltech/UCLA)
O agrupamento de quasares em destaque mostra um sinal maior que o previsto em uma direção, com contagens de quasar mais altas. O oposto, com contagens mais baixas, acontece no lado inferior (Imagem: Reprodução/NASA/JPL-Caltech/UCLA)

Por outro lado, há ainda mais incoerências, como as irregularidades do céu visto em comprimento de ondas de rádio. Isso significa que as galáxias que emitem muito sinais de rádio (as radiogaláxias) podem estar distribuídas de modo anisotrópico.

O mesmo ocorre com a contagem de quasares (radiogaláxias muito extremas e brilhantes), que se concentram mais na região superior do que na inferior (imagem acima). Por que essa distribuição desigual em um universo que deveria ser igual em todos os lugares?

Todos esses problemas, inconsistências e perguntas sem respostas podem esconder uma nova física ainda desconhecida. Ou talvez alguma coisa tenha escapado aos olhos dos astrônomos.

Os mais conservadores são resistentes à ideia de procurar novas ideias, mas elas estão surgindo, como revisões da Relatividade Geral de Albert Einstein e a hipótese da dinâmica newtoniana modificada.

Seja como for, a resposta para a tensão Hubble pode estar na observação de grande escala do universo, possivelmente na confirmação de uma anisotropia do universo e a consequente violação do princípio cosmológico.

Resta esperar futuras pesquisas, como a missão Euclid, com o objetivo de estudar a energia escura para entender melhor a expansão do nosso universo.

Fonte: Canaltech

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