A cosmologia está num ponto crítico – podemos estar à beira de descobrir uma nova física

Nos últimos anos, uma série de controvérsias abalou o campo bem estabelecido da cosmologia. Em poucas palavras, as previsões do modelo padrão do universo parecem estar em desacordo com algumas observações recentes.

Há debates acalorados sobre se essas observações são tendenciosas, ou se o modelo cosmológico, que prevê a estrutura e a evolução de todo o universo, pode precisar ser repensado. Alguns até afirmam que a cosmologia está em crise. Agora mesmo, não sabemos qual lado vencerá. Mas, empolgantemente, estamos à beira de descobrir isso.

Para ser justo, controvérsias são apenas o curso normal do método científico. E ao longo de muitos anos, o modelo cosmológico padrão teve sua cota delas. Este modelo sugere que o universo é composto de 68,3% de “energia escura” (uma substância desconhecida que faz com que a expansão do universo acelere), 26,8% de matéria escura (uma forma desconhecida de matéria) e 4,9% de átomos comuns, medidos com muita precisão a partir do fundo cósmico de micro-ondas – o brilho residual da radiação do Big Bang.

Este artigo faz parte da nossa série Cosmologia em crise?, que revela os maiores problemas que os cosmólogos enfrentam hoje – e discute as implicações de resolvê-los.

Ela explica com muito sucesso multidões de dados em escalas grandes e pequenas do universo. Por exemplo, ela pode explicar coisas como a distribuição de galáxias ao nosso redor e a quantidade de hélio e deutério feita nos primeiros minutos do universo. Talvez o mais importante, ela também pode explicar perfeitamente o fundo cósmico de micro-ondas.

Isso levou a que ele ganhasse a reputação de “modelo de concordância”. Mas uma tempestade perfeita de medições inconsistentes – ou “tensões”, como são conhecidas na cosmologia – agora estão questionando a validade desse modelo de longa data.

Tensões desconfortáveis

O modelo padrão faz suposições particulares sobre a natureza da energia escura e da matéria escura. Mas, apesar de décadas de observação intensa, ainda parecemos não estar mais perto de descobrir do que a matéria escura e a energia escura são feitas.

O teste decisivo é a chamada tensão de Hubble. Isso se relaciona com a constante de Hubble, que é a taxa de expansão do universo no momento presente. Quando medido em nosso universo local próximo, da distância até estrelas pulsantes em galáxias próximas, chamadas Cefeidas, seu valor é 73 km/s/Mega parsec (Mpc é uma unidade de medida para distâncias no espaço intergaláctico). No entanto, quando previsto teoricamente, o valor é 67,4 km/s/Mpc. A diferença pode não ser grande (apenas 8%), mas é estatisticamente significativa.

A tensão de Hubble tornou-se conhecida há cerca de uma década. Naquela época, pensava-se que as observações poderiam ter sido tendenciosas. Por exemplo, as Cefeidas, embora muito brilhantes e fáceis de ver, estavam aglomeradas com outras estrelas, o que poderia tê-las feito parecer ainda mais brilhantes. Isso poderia ter tornado a constante de Hubble mais alta em alguns por cento em comparação com a previsão do modelo, criando assim uma tensão artificialmente.

Com o advento do Telescópio Espacial James Webb (JWST), que pode separar as estrelas individualmente, esperava-se que tivéssemos uma resposta para essa tensão.

Frustrantemente, isso ainda não aconteceu. Os astrônomos agora usam dois outros tipos de estrelas além das Cefeidas (conhecidas como estrelas da Ponta do Ramo das Gigantes Vermelhas (TRGB) e estrelas do Ramo das Gigantes Assintóticas da região J (JAGB)). Mas enquanto um grupo relatou valores das estrelas JAGB e TRGB que são tentadoramente próximos do valor esperado do modelo cosmológico, outro grupo alegou que ainda estão vendo inconsistências em suas observações. Enquanto isso, as medições das Cefeidas continuam a mostrar uma tensão de Hubble.

É importante notar que, embora essas medições sejam muito precisas, elas ainda podem ser enviesadas por alguns efeitos associados exclusivamente a cada tipo de medição. Isso afetará a precisão das observações, de uma maneira diferente para cada tipo de estrela. Uma medição precisa, mas imprecisa, é como tentar ter uma conversa com uma pessoa que está sempre perdendo o ponto. Para resolver desacordos entre dados conflitantes, precisamos de medições que sejam precisas e exatas.

A boa notícia é que a tensão de Hubble é agora uma história em rápido desenvolvimento. Talvez tenhamos a resposta para ela dentro do próximo ano ou algo assim. Melhorar a precisão dos dados, por exemplo, incluindo estrelas de galáxias mais distantes, ajudará a resolver isso. Da mesma forma, medições de ondulações no espaço-tempo conhecidas como ondas gravitacionais também poderão nos ajudar a fixar a constante.

Tudo isso pode justificar o modelo padrão. Ou pode sugerir que há algo faltando nele. Talvez a natureza da matéria escura ou a maneira como a gravidade se comporta em escalas específicas seja diferente do que acreditamos agora. Mas antes de descontar o modelo, é preciso se maravilhar com sua precisão inigualável. Ele só erra o alvo por, no máximo, alguns por cento, enquanto extrapola mais de 13 bilhões de anos de evolução.

Para colocar em perspectiva, mesmo os movimentos mecânicos dos planetas no Sistema Solar só podem ser computados de forma confiável por menos de 1 bilhão de anos, após o que se tornam imprevisíveis. O modelo cosmológico padrão é uma máquina extraordinária.

A tensão de Hubble não é o único problema para a cosmologia. Outra, conhecida como “tensão S8”, também está causando problemas, embora não na mesma escala. Aqui o modelo tem um problema de suavidade, ao prever que a matéria no universo deveria estar mais aglomerada do que realmente observamos – em cerca de 10%. Existem várias maneiras de medir a “aglomeração” da matéria, por exemplo, analisando as distorções na luz das galáxias, produzidas pela suposta matéria escura intervindo ao longo da linha de visão.

Atualmente, parece haver um consenso na comunidade de que as incertezas nas observações precisam ser desvendadas antes de descartar o modelo cosmológico. Uma maneira possível de aliviar essa tensão é entender melhor o papel dos ventos gasosos nas galáxias, que podem empurrar parte da matéria para fora, tornando-a mais suave.

Entender como as medições de aglomeração em pequenas escalas se relacionam com aquelas em escalas maiores ajudaria. As observações também podem sugerir que há uma necessidade de mudar como modelamos a matéria escura. Por exemplo, se em vez de ser feita inteiramente de partículas frias e lentas, como o modelo padrão assume, a matéria escura pudesse ser misturada com algumas partículas quentes e rápidas. Isso poderia desacelerar o crescimento da aglomeração em tempos cósmicos tardios, o que aliviaria a tensão S8.

O JWST destacou outros desafios ao modelo padrão. Um deles é que as primeiras galáxias parecem ser muito mais massivas do que o esperado. Algumas galáxias podem pesar tanto quanto a Via Láctea hoje, embora tenham se formado menos de 1 bilhão de anos após o Big Bang, sugerindo que elas devem ser menos massivas.

No entanto, as implicações contra o modelo cosmológico são menos claras neste caso, pois pode haver outras explicações possíveis para esses resultados surpreendentes. A chave para resolver esse problema é melhorar a medição de massas estelares em galáxias. Em vez de medi-las diretamente, o que não é possível, inferimos essas massas a partir da luz emitida pelas galáxias.

Esta etapa envolve algumas suposições simplificadoras, que podem se traduzir em superestimação da massa. Recentemente, também foi argumentado que parte da luz atribuída às estrelas nessas galáxias é gerada por buracos negros poderosos. Isso implicaria que essas galáxias podem não ser tão massivas, afinal.

Teorias alternativas

Então, onde estamos agora? Embora algumas tensões possam em breve ser explicadas por mais e melhores observações, ainda não está claro se haverá uma resolução para todos os desafios que estão abalando o modelo cosmológico.

Não houve escassez de ideias teóricas sobre como consertar o modelo, no entanto – talvez muitas, na faixa de algumas centenas e contando. Essa é uma tarefa desconcertante para qualquer teórico que queira explorá-las todas.

As possibilidades são muitas. Talvez precisemos mudar nossas suposições sobre a natureza da energia escura. Talvez seja um parâmetro que varia com o tempo, o que algumas medições recentes sugeriram. Ou talvez precisemos adicionar mais energia escura ao modelo para impulsionar a expansão do universo em tempos iniciais ou, ao contrário, em tempos posteriores. Modificar como a gravidade se comporta em grandes escalas do universo (diferentemente do que é feito nos modelos chamados Dinâmica Newtoniana Modificada, ou MOND) também pode ser uma opção.

Até agora, no entanto, nenhuma dessas alternativas pode explicar a vasta gama de observações que o modelo padrão pode. Ainda mais preocupante, algumas delas podem ajudar com uma tensão, mas piorar outras.

A porta agora está aberta para todos os tipos de ideias que desafiam até mesmo os princípios mais básicos da cosmologia. Por exemplo, podemos precisar abandonar a suposição de que o universo é “homogêneo e isotrópico” em escalas muito grandes, o que significa que ele parece o mesmo em todas as direções para todos os observadores e sugere que não há pontos especiais no universo. Outros propõem mudanças na teoria da relatividade geral.

Alguns até imaginam um universo trapaceiro, que participa conosco do ato de observação, ou que muda de aparência dependendo se olhamos para ele ou não – algo que sabemos que acontece no mundo quântico de átomos e partículas.

Com o tempo, muitas dessas ideias provavelmente serão relegadas ao gabinete de curiosidades dos teóricos. Mas, enquanto isso, elas fornecem um terreno fértil para testar a “nova física”.

Isso é uma coisa boa. A resposta para essas tensões sem dúvida virá de mais dados. Nos próximos anos, uma combinação poderosa de observações de experimentos como o JWST, o Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), o Vera Rubin Observatory e o Euclid, entre muitos outros, nos ajudarão a encontrar as respostas há muito procuradas.

Ponto de inflexão

Por um lado, dados mais precisos e uma melhor compreensão das incertezas sistemáticas nas medições poderiam nos devolver ao conforto reconfortante do modelo padrão. De seus problemas passados, o modelo pode emergir não apenas justificado, mas também fortalecido, e a cosmologia será uma ciência que é precisa e exata.

Mas se a balança pender para o outro lado, seremos levados a um território desconhecido, onde uma nova física terá que ser descoberta. Isso pode levar a uma grande mudança de paradigma na cosmologia, semelhante à descoberta da expansão acelerada do universo no final dos anos 1990. Mas nesse caminho, podemos ter que contar, de uma vez por todas, com a natureza da energia escura e da matéria escura, dois dos grandes mistérios não resolvidos do universo.