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Quão pesado é o universo? Respostas conflitantes sugerem uma nova física

This NASA/ESA Hubble Space Telescope image shows a massive galaxy cluster glowing brightly in the darkness. Despite its beauty, this cluster bears the distinctly unpoetic name of PLCK_G308.3-20.2. Galaxy clusters can contain thousands of galaxies all held together by the glue of gravity. At one point in time they were believed to be the largest structures in the Universe — until they were usurped in the 1980s by the discovery of superclusters, which typically contain dozens of galaxy clusters and groups and span hundreds of millions of light-years. However, clusters do have one thing to cling on to; superclusters are not held together by gravity, so galaxy clusters still retain the title of the biggest structures in the Universe bound by gravity. One of the most interesting features of galaxy clusters is the stuff that permeates the space between the constituent galaxies: the intracluster medium (ICM). High temperatures are created in these spaces by smaller structures forming within the cluster. This results in the ICM being made up of plasma — ordinary matter in a superheated state. Most luminous matter in the cluster resides in the ICM, which is very luminous X-rays. However, the majority of the mass in a galaxy cluster exists in the form of non-luminous dark matter. Unlike plasma, dark matter is not made from ordinary matter such as protons, neutrons and electrons. It is a hypothesised substance thought to make up 80 % of the Universe’s mass, yet it has never been directly observed. This image was taken by Hubble’s Advanced Camera for Surveys and Wide-Field Camera 3 as part of an observing programme called RELICS (Reionization Lensing Cluster Survey). RELICS imaged 41 massive galaxy clusters with the aim of finding the brightest distant galaxies for the forthcoming NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope (JWST) to study.  

A discrepância pode ser uma flutuação estatística – ou um sinal de que os físicos precisam revisar o modelo padrão da cosmologia

Aglomerado de galáxias PLCK G308.3-20.2 visto pelo Telescópio Espacial Hubble. Estudos de tais aglomerados nos permitem produzir percepções cósmicas fundamentais, tais como a densidade de matéria do universo. Creditos: ESA/Hubble, NASA and RELICS

Duas formas totalmente diferentes de “pesar” o cosmos estão produzindo resultados muito diferentes. Se medidas mais precisas falharem em resolver esta discrepância, os físicos talvez precisem revisar o modelo padrão da cosmologia, nossa melhor descrição do universo.

“Se este for realmente um indicativo da quebra do modelo padrão, isso seria potencialmente revolucionário”, disse o astronômo Hendrik Hildebrandt da Universidade Ruhr Bochum na Alemanha.

 

Preocupações semelhantes sobre a correção do modelo padrão foram levantadas nos últimos anos por dois cálculos independentes da chamada constante de Hubble, ou a taxa na qual o universo está se expandindo hoje. Essas duas medidas também discordaram, criando o que tem sido chamado de tensão de Hubble.

 

Dezenas de medidas da constante de Hubble tem sido feitas nas últimas décadas, utilizando fontes próximas (na figura nomeadas como “Late”) e distantes (na figura nomeadas como “Early”). Parece haver uma discrepância dependendo se as medições são baseadas no universo primordial ou no universo atual, como visto na caixa intitulada “Early vs. Late” (Primordial vs. Atual), embora a quantidade de discrepância dependa de quais fontes são usadas. Créditos: Vivien Bonvin / HOLiCOW Team

A nova discrepância – chamada de tensão de sigma-oito – envolve envolve medir a densidade da matéria no universo e o grau em que ela está aglomerada, em vez de estar uniformemente distribuída. O resultado está contido no parâmetro chamado sigma-oito. Para calcular sigma-oito, Hildebrandt e seus colegas utilizaram um efeito chamado de lente gravitacional fraco, no qual a luz de galáxias distantes é desviada levemente nos nossos telescópios devido a atração gravitacional exercida pela matéria que está entre a Terra e as galáxias.

 

A distorção resultante é tão pequena que mal muda a forma de uma galáxia individual. Mas se você toma a média das formas de dezenas de milhares de galáxias em uma parte do céu, o sinal de lentes fracas aparece. Presumindo que as galáxias deveriam estar orientadas aleatoriamente com respeito a Terra, sua forma média deveria ser aproximadamente circular – sem o efeito de lentes fracas. Mas graças as distorções leves do efeito de lentes, a forma média tende a ser elíptica.

 

Os astrônomos usaram este sinal para estimar a quantidade e distribuição de matéria (ambas as variedades normais e escuras) ao longo das linhas de visada para várias regiões ricas em galáxias através de um grande pedaço do céu. Em outras palavras, eles conseguiram medir a densidade cósmica da matéria.

 

Mas fazer isso com precisão requer uma informação a mais: a distância de cada galáxia individual que está sendo estudada. Normalmente, astrônomos calculam a distância até outra galáxias encontrando seu redshift espectroscópico – o quanto a luz da galáxias é desviada para comprimentos de onda mais vermelhos no espectro. Quanto maior o redshift, mais distante está o objeto.

 

Medir redshifts espectroscópicos individuais, contudo, é extremamente ineficiente quando lidamos com milhões de galáxias. Então, a equipe de Hildebrandt recorreu ao que chamamos de redshift fotométrico, que envolve fazer múltiplas imagens do mesmo pedaço do céu em diferentes comprimentos de onda, indo desde o óptico até a faixa do infravermelho. Os pesquisadores utilizam estas imagens para estimar o redshift individual de cada galáxia nas imagens. “Eles não são tão bons quanto o redshift espectroscópico tradicional”, diz Hildebrandt. “Mas é muito mais eficiente em termos de tempo de telescópio”.

 

Para a análise completa, o time utilizou imagens de alta resolução de centenas de graus quadrados de céu (a lua cheia tem cerca de meio grau quadrado) em nove bandas de comprimento de onda – quatro no óptico e cinco no infravermelho. Estas observações de cerca de 15 milhões de galáxias foram obtidas pelo Observatório do Sul Europeu (ESO, do inglês European Southern Observatory) Kilo-Degree Survey (KiDS) e VISTA Kilo-Degree Infrared Galaxy Survey (VIKING) usando dois telescópios menores na organização do Observatório Paranal do Chile.

 

Os dados do VIKING reforçou o conjunto de dados KiDS, fornecendo várias observações da mesma região do céu em comprimentos de onda do infravermelho próximo. Quanto maior a distância de uma galáxia, maior a velocidade com que ela se afasta de nós. Isso faz com que mais luz de uma galáxia seja desviada para o vermelho para a faixa do infravermelho próximo, portanto, confiar apenas em observações ópticas não é suficiente. As medições infravermelhas capturam uma quantidade maior de luz dessas galáxias, levando a melhores estimativas de seu redshift fotométrico.

 

Para garantir que os redshifts fotométricos sejam tão acurados quanto possível, estas observações foram calibradas utilizando redshifts espectroscópicos de algumas das mesmas galáxias feitas com o telescópio Very Large Telescope de oito metros no Paranal e os telescópios Keck de 10 metros em Mauna Kea no Havaí.

 

O astrofísico e ganhador do prêmio nobel Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins, aprova os esforços dos pesquisadores do KiDS. “Os últimos resultados deles usam dados do infravermelho, o que provavelmente faz um trabalho melhor ao traçar a massa de lentes e obter redshifts fotométricos confiáveis”, diz ele.

 

Usando os dados combinados, que cobrem cerca de 350 graus quadrados do céu, os astrônomos estimaram o sigma-oito. O valor que eles encontraram conflita com o sigma-oito calculado usando os dados observações da Radiação Cósmica de Fundo (CMB, do inglês Cosmic Microwave Background) do satélite Planck da Agência Espacial Européia – a luz mais jovem observável do universo, que foi emitida cerca de 380 mil anos depois do big bang. O Planck mapeou variações na temperatura e polarização da CMB ponto a ponto no céu. Os Cosmólogos podem usar o mapa da CMB para calcular o valor de sigma-oito para o universo jovem. Utilizando o modelo padrão da cosmologia (que diz que o cosmos é feito de 5% de matéria ordinária, 27% de matéria escura e 68% de energia escura), eles podem extrapolar ao longo dos mais de 13 bilhões de anos de evolução cósmica e estimar o valor atual de sigma-oito.

Contornos de confiança dos parâmetros de densidade de matéria e amplitude das flutuações de matéria do lenteamento do DES (Troxel et al. 2018a, verde), PlanckCMBlensing (cinza), e lentes combinados (vermelho). Para comparação, as linhas tracejadas mostram as restrições do cisalhamento cósmico do DES combinadas com a aglomeração de galáxias (DES Collaboration2018b), as linhas pontilhadas mostram as restrições da análise do KiDS-450 (Hildebrandt et al. 2017), e os contornos azuis mostram as restrições independentes do espectro de potência da CMB do Planck. Créditos: Planck Collaboration (https://arxiv.org/pdf/1807.06209.pdf)

Aqui reside a tensão. O estudo de lentes fracas de Hildebrandt estima um sigma-oito de 0.74, enquanto o Planck fornece um valor de 0.81. “Existe cerca de 1% de chance de que esta [tensão] seja uma flutuação estatística,” diz Hildebrandt. Flutuações estatísticas são ruídos aleatórios nos dados que podem mimetizar sinais reais e podem desaparecer com mais dados. “Isso não é algo para perder completamente o sono”.

 

Não ainda. Também é possível que ocorra um erro sistemático nos cálculos de uma ou de ambas as equipes. Uma vez que os pesquisadores identifiquem tais erros, a discrepância pode desaparecer.

 

Ou não, o que tem sido o caso com a tensão de Hubble. Como as medidas astronômicas tem se tornado cada vez mais precisas, a significância estatística da tensão de Hubble tem apenas crescido, causando noites sem dormir em mais do que alguns teóricos ansiosos. “Algo muito similar pode acontecer com a discrepância de sigma-oito”, diz Hildebrandt. “Não sabemos”.

 

Riess, que lidera uma das equipes que fazem estimativas da constante de Hubble usando medidas de supernovas no universo local, compara a tensão de sigma-oito a um “irmão ou irmã mais nova da tensão do Hubble”. Essa discrepância agora é considerada estatisticamente significativa, com menos de uma chance em 3,5 milhões de ser um acaso. A tensão de sigma-oito, com uma chance em 100 de ser uma aberração estatística, está onde a tensão de Hubble estava alguns anos atrás. “Portanto, é menos significativo, mas vale a pena ficar de olho em uma possível conexão”, diz Riess.

 

Se a tensão de sigma-oito aumentar ao mesmo nível de relevância estatística que a tensão de Hubble, a pressão para reavaliar o modelo padrão da cosmologia pode ser muito grande para ser ignorada. Nesse ponto, cosmólogos podem ser forçados a invocar uma nova física que alinhe as estimativas do Planck com as medições diretas dos parâmetros do universo atual. “Essa será uma alternativa empolgante”, diz Hildebrandt.

 

As possíveis correções de “nova física” para o modelo padrão podem envolver a mudança da quantidade e da natureza da energia escura ou da matéria escura – ou ambas – assim como ajustes em como elas interagem entre si e com a matéria normal, entre outras modificações mais exóticas. “Algumas soluções teóricas para mexer no modelo cosmológico para corrigir a tensão da constante de Hubble tornam essa [tensão sigma-oito] pior. Alguns o tornam melhor ”, diz Riess.

 

Hildebrandt concorda que não existe uma solução óbvia em vista. “Se houvesse um modelo atraente, talvez as pessoas entrassem nesse movimento”, diz ele. “Mas, no momento, não acho que haja. Cabe a nós, observadores, melhorar a importância [da tensão sigma-oito] ou refutá-la. ”

 

Texto original de Anil Ananthaswamy em 12 de Maio 2020, traduzido por Simony Costa em 07 de Setembro de 2020. O texto original pode ser encontrado em https://www.scientificamerican.com/article/how-heavy-is-the-universe-conflicting-answers-hint-at-new-physics/

 

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