Qual é a forma do Universo? Um novo estudo sugere que entendemos tudo errado

Quando pesquisadores reanalisaram o conjunto de dados padrão de ouro do universo primordial, concluíram que o cosmos devia ser “fechado”, ou curvado como uma bola. A maioria dos outros ainda não está convencida.

Em um universo plano, como visto à esquerda, uma linha reta se estende até o infinito. Em um universo fechado, como na direita, é curvado como a superfície de uma esfera. Neste caso, uma linha reta irá eventualmente retornar ao ponto de partida.

Um artigo provocativo publicado no dia 4 de Novembro de 2019 na revista Nature Astronomy argumenta que o universo pode ser curvo e fechado como uma esfera, ao invés de ser plano como uma folha de papel, como o modelo cosmológico padrão prevê. Os autores reanalisaram um grande conjunto de dados cosmológicos e concluíram que os dados favorecem um universo fechado com 99% de certeza – mesmo que outras evidências sugiram que ele é plano.

Os dados em questão – observações do telescópio espacial Planck de uma luz primordial chamada radiação cósmica de fundo em microondas (CMB, do inglês, cosmic microwave background) – “apontam claramente para um modelo fechado”, disse Alessandro Melchiorri da Universidade Sapienza de Roma. Ele é coautor do novo artigo com Eleonora di Valentino da Universidade de Manchester e Joseph Silk, da Universidade de Oxford. Na visão deles, a discordância entre os dados da CMB, o que sugere que o universo é fechado, e outros dados que apontam para um universo plano, representam uma “crise cosmológica” que exige um “repensar drástico”.

Contudo, a equipe de cientistas por trás da colaboração Planck chegaram a conclusões diferentes na sua análise de 2018. Antony Lewis, um cosmólogo na Universidade de Sussex e membro da colaboração Planck que trabalhou nessa análise, disse que a explicação mais simples para a característica específica nos dados da CMB que di Valentino, Melchiorri e Silk interpretaram como uma evidência para um universo fechado “é apenas uma flutuação estatística”. Lewis e outros experts dizem que eles já analisaram de perto este problema, assim como outros quebra-cabeças presentes nos dados.

Graeme Addison, um cosmólogo na Universidade Johns Hopkins que não está envolvido na análise do Planck nem no novo artigo, disse que “Não há dúvidas de que esses sinais existam em algum nível”. “Existe apenas um desacordo quanto a interpretação.”

Se o universo é plano – isto é, se dois feixes de luz são lançados lado a lado no espaço, eles estarão paralelos para sempre, ao invés de eventualmente se cruzaram e retornarem ao lugar de onde foram lançados, no caso de um universo fechado – vai depender criticamente da sua densidade. Se toda matéria e energia no universo, incluindo matéria escura e energia escura, somam exatamente a concentração na qual a energia da expansão equilibra a energia da atração gravitacional, o espaço se estenderá de forma plana em todas as direções.

A principal teoria da origem do universo, conhecida como inflação cósmica, produz uma planicidade primordial. E várias observações desde o início dos anos 2000 tem mostrado que nosso universo é muito próximo de plano e, portanto, deve está dentro dessa densidade crítica – calculada com o valor de 5.7 átomos de hidrogênio por metro cúbico, grande parte invisível.

O telescópio Planck mede a densidade do universo, medindo o quanto a luz da CMB foi defletida ou “lenteada gravitacionalmente” enquanto passa através do universo durante os últimos 13.8 bilhões de anos. Quanto mais matéria os fótons da CMB encontrarem na sua jornada até a Terra, mais lenteados eles serão, tal que sua direção não reflete exatamente o seu ponto de partida no universo primordial. Isto aparece nos dados como um efeito de desfoque, que suaviza certos picos e vales no padrão espacial da CMB. De acordo com a nova análise, a grande quantidade de lenteamento da CMB sugere que o universo pode ser 5% mais denso do que a densidade crítica, totalizando cerca de seis átomos de hidrogênio por metro cúbico ao invés dos 5.7, tal que a gravidade ganha e o cosmos se fecha.

Mapa da radiação cósmica de fundo do satélite Planck. Créditos: Colaboração ESA/Planck.

Os cientistas do Planck notaram o efeito de lenteamento maior do que o esperado anos atrás; a anomalia foi mostrada de maneira mais proeminente na análise final de todo o conjunto de dados, liberada ano passado. Se o universo é plano, os cosmólogos esperam que a medida da curvatura caia dentro do “desvio padrão” de zero, devido às flutuações estatísticas aleatórias nos dados. Mas ambas as equipes do Planck e do novo artigo, encontraram que os dados da CMB tem um desvio em torno de 3.4σ. Assumindo que o universo seja plano, isso é um grande acaso – seria equivalente a tirar cara em uma moeda 11 vezes seguidas, o que acontece menos de 1% das vezes. A equipe de Planck atribui a medida a um acaso ou a um efeito inexplicável que desfoca a luz da CMB, imitando o efeito de matéria extra.

Ou talvez o universo seja realmente fechado. Di Valentino e os coautores apontam que um modelo fechado resolve outras anomalias encontradas na CMB. Por exemplo, pesquisadores deduziram os valores dos ingredientes do nosso universo, tais como a quantidade de matéria escura e energia escura, medindo variações na cor da CMB vinda de diferentes regiões do céu. Mas curiosamente, eles obtiveram respostas diferentes quando compararam pequenas regiões e grandes regiões do céu. Os autores apontam que, quando você recalcula esses valores assumindo um universo fechado, eles não diferem.

Will Kinney, um cosmólogo na Universidade de Buffalo em Nova York, chamou esse bônus do modelo de universo fechado “realmente interessante”. Mas ele notou que as discrepâncias entre variações em pequenas e grandes escalas vistas na CMB poderiam facilmente ser flutuações estatísticas, ou podem resultar de erros não identificados (erros sitemáticos) que afetam as medidas de lenteamento.

Existem apenas seis parâmetros que modelam o universo, de acordo com o modelo padrão da cosmologia, conhecido como modelo ΛCDM (onde Λ representa a energia escura na forma de constante cosmológica e CDM é denominação do inglês para matéria escura fria). Com apenas seis números, o modelo ΛCDM descreve com bastante precisão a maioria das características do cosmos. E o ΛCDM não prediz curvatura; o que quer dizer que o universo é plano.

Este novo artigo argumenta, efetivamente, que precisamos adicionar um sétimo parâmetro ao ΛCDM: um número que descreva a curvatura do universo. Para as medidas de lenteamento, adicionar um śetimo parâmetro melhora o ajuste com os dados.

Mas, outros cosmólogos argumentam que antes de considerar uma anomalia a sério o suficiente para adicionar um novo parâmetro à teoria, precisamos levar em conta todas as outras coisas em que o ΛCDM acerta. Claro, podemos focar em uma anomalia – uma moeda que sai cara 11 vezes seguidas – e dizer que algo está errado. Mas a CMB é um conjunto de dados tão grande que é como jogar uma moeda centenas ou milhares de vezes. Não é difícil imaginar que, ao fazer isso, encontraremos uma sequência aleatória de 11 caras. Físicos chamam isto de efeito “procure em outro lugar”.

Um desenho produzido pelo projeto BOSS mostrando as esferas de bárions ao redor dos aglomerados iniciais de matéria escura. Fonte.

Além disso, pesquisadores notam que um sétimo parâmetro não é necessário para a maioria das outras medidas. Existe uma segunda maneira de obter a curvatura espacial a partir da CMB, medindo correlações entre a luz vindo de quatro pontos no céu; esta medida de reconstrução de lenteamento indica que o universo é plano, sem precisar de um sétimo parâmetro. Além disso, as observações cosmológicas independentes do levantamento BOSS de sinais chamados de oscilações acústicas bariônicas também indicam planicidade do universo. O Planck, na sua análise de 2018, combinou suas medidas de lenteamento com estas duas outras medidas e chegou ao resultado de que a curvatura espacial está dentro do desvio padrão de zero.

Di Valentino, Melchiorri e Silk acreditam que colocar estes três conjuntos de dados juntos mascara o fato de que dados diferentes não concordam de fato. “O ponto aqui não é que o universo é fechado”, disse Melchiorri por email. “O problema é a inconsistência entre os dados. Isto indica que não existe atualmente um modelo de concordância e que estamos perdendo algo.” Em outras palavras, o ΛCDM está errado ou incompleto.

Todos os outros pesquisadores consultados para este artigo acham que o peso das evidências aponta para um universo plano. “Dadas as outras medidas”, disse Addison, “a interpretação mais clara deste comportamento dos dados do Planck é que há uma flutuação estatística. Causada talvez por alguma leve imprecisão na análise do Planck, ou talvez sejam apenas flutuações de ruído ou aleatórias. Mas, de qualquer forma, não há uma razão real para levar a sério esse modelo fechado.”.

Na década passada, uma dúzia de medidas da constante de Hubble, utilizando fontes próximas (indicadas como “Late”) e distantes (indicadas com “Early”). Elas parecem ser discrepantes dependendo se as medidas são baseadas no universo primordial ou no universo atual, como visto na caixa nomeada “Early vs. Late”, embora a discrespância dependa de quais fontes são utilizadas. Créditos: Vivien Bonvin / Holicow Team.

Isto não quer dizer que peças não estejam faltando no cenário cosmológico. As medidas da CMB utilizando o modelo ΛCDM predizem um valor para a taxa de expansão do universo atual diferente do obtido utilizando medidas locais com Supernovas, causando uma controvérsia conhecida como problema da constante de Hubble. Mas, assumir um universo fechado não “conserta” este problema – de fato, adicionar curvatura piora a predição da taxa de expansão. Além da anomalia dos dados de lenteamento do Planck, não existe razão para achar que o universo é fechado.

“O tempo irá dizer, mas eu não estou, pessoalmente, terrivelmente preocupado com isso”, disse Kinney, se referindo a sugestão de curvatura nos dados da CMB. “É um tipo de anomalia similar a outras que provaram ser vapor.”.

Este texto é uma tradução do original em inglês escrito por Natalie Wolchover, na Quanta Magazine. Alguns trechos são modificados substituindo alguns termos ou conceitos equivocados (indicados com sublinhado).

 

 

Deixe uma resposta

Esse site utiliza o Akismet para reduzir spam. Aprenda como seus dados de comentários são processados.