Como as supernovas estão ajudando a desvendar os mistérios da energia escura

O maior componente do universo é algo sobre o qual não sabemos quase nada.

As melhores e mais precisas observações que os cosmólogos reuniram ao longo de décadas mostram que toda a matéria que nos rodeia, cada átomo que vemos em qualquer parte do cosmos, representa apenas 5% de tudo o que existe. Outros 27% são matéria escura, que mantém as galáxias unidas. E todo o resto – impressionantes 68% do universo – é energia escura, uma força responsável pela expansão do universo.

Sem a energia escura, a taxa de expansão diminuiria com o tempo. Mas está muito claro que não é esse o caso, e a taxa de expansão está, na verdade, a aumentar. Deve haver algum tipo de força impulsionando essa expansão, e essa força desconhecida é o que chamamos de energia escura.

É o maior constituinte do universo e é um mistério. Mas para um certo tipo de cientista, isso torna o seu estudo um desafio irresistível.

Numa reunião da Sociedade Astronómica Americana no início deste mês, os investigadores apresentaram dados que estavam a ser produzidos há uma década a partir da maior e mais uniforme amostra de supernovas alguma vez recolhida. Os dados fizeram parte do Dark Energy Survey, uma colaboração internacional de mais de 400 astrónomos que trabalham em conjunto para desvendar os mistérios da energia escura.

A análise se concentrou em uma variedade de supernovas chamadas Tipo 1a. Eles são particularmente úteis para os astrônomos porque têm um brilho altamente previsível, o que os torna inestimáveis ​​como marcadores de milhas que podem ser usados ​​para medir distâncias com precisão. Ao utilizar estas supernovas para calcular a distância até galáxias distantes, os cientistas podem medir a rapidez com que o Universo se está a expandir e, esperançosamente, aprender mais sobre a estranha substância da energia escura.

A energia escura pode constituir uma grande parte do universo, mas seus efeitos são sutis. Para detectar a sua influência, os investigadores devem analisar enormes conjuntos de dados que mostram os movimentos das galáxias em grande escala. Requer ferramentas muito precisas para poder detectar o tipo de efeitos generalizados que a energia escura tem nos movimentos das galáxias.

“Para fazer estas medições superprecisas, são necessárias as melhores câmaras e os melhores telescópios disponíveis, no solo ou no espaço”, explicou Maria Vincenzi, da Duke University, que co-liderou a análise cosmológica da amostra da supernova DES. “Construir este tipo de instrumentos é um esforço tão monumental que é algo que não pode ser feito por um único grupo ou pelos recursos de uma única universidade.”

A maioria das pesquisas anteriores sobre energia escura usando supernovas foi feita usando uma técnica chamada espectroscopia, na qual a luz de uma supernova é dividida em comprimentos de onda. Ao procurar os comprimentos de onda da luz que estão ausentes, os cientistas podem inferir quais comprimentos de onda foram absorvidos – o que indica a composição de um objeto.

Isso é extremamente útil para obter informações detalhadas de um objeto, mas também é um processo muito caro e demorado que requer o uso de um telescópio especializado como o Telescópio Espacial James Webb.

A pesquisa recente adotou uma abordagem diferente. “Tentamos fazer as coisas de uma maneira completamente diferente”, disse Vincenzi. Eles usaram uma técnica chamada fotometria, na qual observaram a luz dos objetos e rastrearam como o brilho mudava ao longo de algumas semanas, produzindo dados chamados curva de luz.

Eles então alimentaram essas curvas de luz em um algoritmo de aprendizado de máquina, que foi treinado para identificar as supernovas específicas que eles queriam – as supernovas Tipo 1a.

O aspecto do aprendizado de máquina foi fundamental porque as diferenças entre as curvas de luz dos tipos de supernovas podem ser sutis. “O algoritmo de aprendizado de máquina pode ver coisas que mesmo um olho muito bem treinado pode não conseguir ver”, disse Vincenzi, além de ser muito mais rápido.

Isso permitiu ao grupo identificar uma enorme amostra de cerca de 1.500 destas supernovas ao longo do conjunto de dados de cinco anos, recolhidas a partir de um único instrumento chamado Dark Energy Camera montado no Telescópio Víctor M. Blanco, no Chile.

Com este impressionante conjunto de dados, os investigadores foram capazes de compreender mais do que nunca sobre a expansão do Universo, e as descobertas apoiam um modelo do Universo amplamente difundido que é verdadeiramente bizarro.

A estranheza tem tudo a ver com a densidade da energia escura. Para entender por que isso é importante, é útil começar pensando em algo mais familiar: a matéria.

“À medida que o universo se expande, o volume do universo aumenta. Mas a quantidade de matéria não é. É uma constante da matéria total. Portanto, se o volume estiver aumentando e a matéria for constante, a densidade diminuirá”, explicou Dillon Brout, da Universidade de Boston, que co-liderou a análise cosmológica.

Até agora tudo bem. Mas a energia escura não é assim – ela tem densidade constante ao longo do tempo. “À medida que o universo se expande, a densidade não diminui. Você obtém uma quantidade total correspondentemente maior de energia escura”, disse Brout.

Isso significa que a energia escura parece ser uma propriedade do próprio espaço, razão pela qual também é conhecida como energia do vácuo. “Se você conseguir mais espaço, obterá mais energia escura. Se o universo aumentar de tamanho, obteremos a quantidade certa de energia escura, porque é uma propriedade do próprio espaço”, disse Brout.

A energia escura é diferente de tudo o que conhecemos na natureza, por isso algumas pessoas são céticas em relação à teoria e acreditam que deve haver alguma outra explicação para a taxa de expansão do universo, como algo sobre a relatividade geral estar errada ou incompleta.

Mas cada vez mais, os cosmólogos concordam que esta teoria da densidade constante da energia escura ao longo do tempo, chamada matéria escura fria Lambda, é a melhor explicação que temos para as observações que fizemos. A nova pesquisa não prova definitivamente que esta teoria é verdadeira, mas é consistente com ela.

“Isso tem sido alucinante para todos que trabalham na área nos últimos vinte anos”, disse Vincenzi. “Porque é uma forma de energia muito difícil de conciliar com qualquer conhecimento prévio de energia e das forças que estamos acostumados a pensar na física.”

A energia escura pode ser considerada como um lado de uma moeda cosmológica, sendo a matéria escura o outro. As duas forças se contrapõem: uma separando as coisas e a outra unindo-as.

“A matéria e a matéria escura influenciam o universo com sua gravidade. Portanto, a matéria escura tem a tendência de retardar a expansão do universo, enquanto a energia escura tem a tendência de acelerá-la”, disse Brout. “Portanto, é realmente como um cabo de guerra entre a matéria escura com a força da gravidade e a repulsividade da energia escura.”

Este modelo significa que à medida que o tempo passa e o universo se expande, há cada vez mais energia escura. Em pontos anteriores da história do universo, a sua física era dominada pela matéria escura porque o seu tamanho era menor e a densidade da matéria era maior. À medida que o universo ficou maior, a energia escura passou a dominar.

“A energia escura domina nas partes do universo que estão maioritariamente vazias, nas vastas distâncias entre galáxias que estão maioritariamente preenchidas com espaço vazio. Nas regiões da galáxia que estão cheias de muito mais matéria ou matéria escura, como numa galáxia ou no sistema solar, não sentimos nem vemos os efeitos da energia escura”, explicou Brout.

Essa é parte da razão pela qual a energia escura é tão difícil de estudar: os investigadores precisam de observar os movimentos em grande escala das galáxias para ver os seus efeitos.

Se tudo isso parece contra-intuitivo e estranho, aperte o cinto, porque há ainda mais estranheza a ser descoberta nesta história.

Embora os cientistas saibam que existe uma enorme quantidade de energia escura no universo, os seus efeitos são relativamente pequenos. Embora esteja impulsionando a expansão do universo, o que dificilmente é inconsequente, há um problema de longa data na cosmologia onde seus efeitos são mais fracos do que a teoria prevê que deveriam ser – muito mais fraco.

Na verdade, as previsões da mecânica quântica, a teoria mais difundida sobre como a matéria funciona à escala atómica, afirmam que a energia escura deveria ser ordens de magnitude mais forte do que é.

“Se a energia escura é a energia do vácuo, o valor que encontramos está 120 ordens de grandeza fora da expectativa teórica da mecânica quântica. E isso é uma loucura”, disse Brout. “Às vezes é chamada de a maior discrepância entre teoria e observações em toda a ciência.”

Mas se a energia escura fosse tão poderosa como a mecânica quântica prevê, então teria espalhado material no universo primitivo, impedindo a formação de galáxias primitivas. O desenvolvimento da vida como a conhecemos depende, sem dúvida, da relativa fraqueza da energia escura.

Esta discrepância no valor aparente da constante cosmológica, que faz parte da relatividade geral, é uma questão importante para a cosmologia. Foi até descrito como o “problema mais embaraçoso” da física.

Para os investigadores da energia escura, no entanto, essa discrepância desconcertante é o que torna o assunto tão atraente e crítico para estudar.

“Estamos medindo a matéria escura e a energia escura, que constituem 95% do universo”, disse Brout. “E cara, se não entendemos 95% do universo, temos que procurar e tentar entendê-lo.”