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Será que erramos ao medir o Universo?

Novos estudos da mais antiga radiação do Cosmo sugerem que uma nova física - em vez de erros sistemáticos - poderia explicar um mistério científico não resolvido

ESA e Planck Collaboration

Emitido apenas 380.000 anos após o Big Bang, o fundo de microondas cósmico é a mais antiga luz observável no Universo. Ao estudar padrões impressos sobre essa antiga luz, os cientistas podem supor a idade, o tamanho e a estrutura em grande escala do Universo.

No princípio, todo o espaço vibrou como um sino.

Foi o rescaldo imediato do Big Bang, e o Universo foi preenchido com um plasma tórrido - uma sopa energética de partículas e radiação. Embora esse plasma fosse notavelmente suave, não era completamente uniforme. Havia ligeiros gradientes de densidade e pressão que empurravam o material, diz Lloyd Knox, um cosmólogo da Universidade da Califórnia, em Davis, "e quando alguma coisa é empurrada, esse algo é uma onda sonora."

O som ecoou em todos os lugares, tão intensamente que ainda podemos senti-lo 13,8 bilhões de anos depois. Ele foi detectado diretamente no fundo do microondas cósmico, o brilho remanescente da bola de fogo desaparecendo do Big Bang, e foi analisado de perto através da mesma física básica usada para estudar a estrutura do Sol. De fato, a reverberação primordial foi tão bem medida e modelada que foi usada para deduzir a taxa precisa com a qual o Universo está se expandindo, um número conhecido como constante de Hubble. Essa constante, por sua vez, é a pedra angular de nossa compreensão moderna do tamanho, idade e estrutura do cosmos.

Mas esse aparente triunfo levou recentemente Knox e seus colegas à controvérsia e à confusão. Se as teorias mais aceitas pelos cosmólogos sobre o Universo estão corretas, então todas as formas de calcular a constante de Hubble na era moderna deveriam dar a mesma resposta. O valor derivado da extrapolação das antigas ondas sonoras deve corresponder exatamente ao valor derivado de estudos independentes sobre a luz de estrelas e de galáxias distantes. Na realidade, uma série de estudos mostra que as duas abordagens geram uma divergência vexatória - e quanto mais diligentemente os pesquisadores atacam o problema, mais definitivo parece ser o conflito.

Uma possibilidade é que alguém tenha se equivocado. No entanto, à medida que as evidências se acumulam, Knox passou a considerar outra possibilidade: que a falha não esteja nos seus pares, mas no próprio Universo. Se assim for, descobrir por que o espaço não está soando da maneira esperada poderia levar os cosmólogos a uma física até então desconhecida, potencialmente revelando um novo aspecto da realidade. Knox e seus co-autores exploram essa possibilidade atraente em um novo estudo que deve aparecer no The Astrophysical Journal. “Nos últimos dois anos”, ele diz, “eu evoluí de pensar, `deve haver algo que eles fizeram de errado` para pensar "Uau, talvez eles não tenham feito nada de errado. Talvez essa seja a pista que eu estava esperando!"

 PERSEGUINDO O HORIZONTE DO SOM

Em seu artigo, Knox e companhia fixam sua atenção no horizonte sonoro, um aspecto obscuro mas crucial de como os cosmólogos estudam o Universo primordial. Após o Big Bang, as ondas sonoras produzidas pela mistura de luz e de matéria viajaram livremente através do Universo quente e cheio de plasma. Após cerca de 380 mil anos, a matéria resfriou o suficiente para formar átomos, dissociando-se da luz e amortecendo as ondas sonoras. De repente, o zumbido parou, imprimindo um padrão final e congelado de ondas na luz que escapava, que vemos hoje no pano de fundo das micro-ondas cósmicas.

O horizonte sonoro define o tamanho dessas ondas finais. “Até onde as perturbações sonoras se propagam quando o plasma desaparece? Essa distância é o horizonte sonoro ”, diz Knox.

Assim como se pode intuir as qualidades de um sino por meio do jeito que ele toca (um pequeno sino de cristal soa totalmente diferente de um grande de latão), os pesquisadores podem inferir as propriedades precisas do universo a partir de seus sons, conforme registrado no fundo de microondas. É assim que eles podem declarar com confiança que o Cosmo consiste em 4,8% de matéria comum, 26% de matéria invisível conhecida como matéria escura e 69% da energia escura, uma força antigravitacional enigmática que faz com que o espaço vazio se expanda. E mais em associação com a nossa história, também é uma maneira de derivar a taxa de expansão do universo com alta precisão.

Em 2015, uma enorme equipe liderada por George Efstathiou, da Universidade de Cambridge, analisou as medições de microondas da espaçonave Planck, da Agência Espacial Européia, e revelou as estatísticas vitais do Universo. Seus resultados indicaram que o Universo está se expandindo a uma taxa de 67,8 quilômetros por segundo por megaparsec (um “megaparsec” sendo uma unidade de distância igual a 3,26 milhões de anos-luz). Os cosmólogos normalmente arredondam os valores e simplesmente dizem que a constante de Hubble está entre 67 e 68.

Enquanto isso, grupos concorrentes de astrônomos estudam a expansão do Universo de uma maneira distintamente diferente, buscando estrelas variáveis ou explosões de supernovas de distância conhecida e, então, medindo diretamente a rapidez com que estão se afastando de nós. Esse método de “escada de distância” é mais complicado do que parece. A determinação de distâncias ao longo de muitos milhões de anos-luz é uma tarefa sutil e demorada, assombrada pelas possibilidades de muitos tipos de erros sistemáticos. Obtenha a localização de uma estrela errada, e todo o cálculo dá errado.

“Toda vez que se aumenta a precisão, é preciso aperfeiçoar os procedimentos. É isso que me mantém acordado à noite”, diz Wendy Freedman, da Universidade de Chicago, que trabalha com o problema constante do Hubble há mais de três décadas. Ao derrotar constantemente as incertezas, seu grupo criou sua própria resposta de alta precisão para a constante: 73,2 - e aí reside a controvérsia. "É um progresso espetacular que os dois números concordem em 10 por cento", diz ela, mas o acordo aproximado já não é bom o suficiente. "As barras de erro certamente não estão sobrepostas, e não há nada óbvio que possa estar causando a diferença." Para descobrir problemas não óbvios, ela está desenvolvendo um novo tipo de medição de distância usando estrelas gigantes vermelhas como pontos de referência. Ao mesmo tempo, ela está realizando um experimento duplo-cego para reanalisar todos os dados existentes sobre preconceitos e erros.

Cosmólogos de ambos os lados também estão procurando grupos externos para orientação. Até agora, esses árbitros estão apenas aprofundando o mistério. Um estudo da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, que analisa como a luz é curvada por galáxias distantes, fornece uma constante de Hubble de 72,5, próximo ao resultado da escada de distância. Enquanto isso, um estudo igualmente convincente, olhando como as ondas sonoras primordiais afetam a distribuição das galáxias no Universo moderno, fornece uma constante de - você adivinhou - 67. Cálculos da constante de Hubble ancorados no horizonte sonoro dão consistentemente um número menor do que aqueles baseados em observações de estrelas e galáxias - e ninguém sabe o porquê.

UM COSMOS COMPLEXO E ESCURO?

Existe uma maneira pela qual todas as medições podem ser corretas, ou seja, se algo está errado com as interpretações dos cientistas sobre essas medições. Knox observa que tudo o que sabemos sobre a origem do horizonte sonoro depende de um modelo teórico de como o Universo se comportou durante seus 380.000 anos iniciais invisíveis. Se os modelos estiverem errados e o tamanho do horizonte sonoro for diferente do que eles prevêem, esse ajuste mudaria todos os números derivados dele, incluindo a constante de Hubble. "Se existe uma solução cosmológica, tem que ser uma que resulte em um horizonte sonoro menor", diz Knox. Encolha por apenas 7%, e todos os estudos concordam um com o outro. O problema é que não está nada claro o que poderia explicar esse encolhimento. Em quase todos os outros aspectos, o modelo e as observações se encaixam perfeitamente.

“É muito difícil pensar em uma resposta que explique tudo perfeitamente. Terá que ser algo complicado, porque já tentamos todas as coisas simples ”, diz Marius Millea, pesquisador do Centro de Berkeley para Cosmologia Física e um dos co-autores de Knox. Ele observa que é muito mais fácil assinalar as coisas que não funcionam: tipo de neutrino não descoberto? Não. Novo tipo de interação entre fótons? Não. Todos eles entram em conflito com os dados.

A explicação mais convincente, na opinião de Knox, é que o Universo primitivo estava se expandindo um pouco mais rápido do que o esperado. Se assim fosse, teria esfriado mais rapidamente e congelado o horizonte sonoro no lugar um pouco mais cedo. Então o horizonte sonoro seria menor do que aquele que os teóricos colocaram em seus modelos e - problema resolvido! Ou melhor, então o problema é derrubado novamente, porque então passa a ser preciso explicar o que fez o Cosmo inicial decolar mais rapidamente.

Knox tem sua suspeita. "Potencialmente, isso está nos levando a um novo ingrediente no `setor escuro`", diz ele, referindo-se ao termo genérico dos cosmólogos para componentes invisíveis do Universo que não interagem com a radiação de forma alguma. Os pesquisadores já invocam a matéria escura para explicar o movimento galáctico e a energia escura para explicar a expansão acelerada do Universo. As medidas divergentes da constante de Hubble podem ser o primeiro sinal da existência de um terceiro componente escuro, argumenta Knox - um "turbo escuro", talvez, que se somava à energia do Universo primitivo, acelerando sua expansão e alterando o tom de seus sons. Uma possibilidade relacionada é que a energia escura tenha mais de uma forma, ou mude ao longo do tempo de maneiras complicadas. Um estudo recente de 1.598 quasares distantes usando o Chandra X-Ray Observatory da NASA oferece uma evidência intrigante, se preliminar, da última interpretação.

Pode parecer trapaça invocar algo novo e invisível para explicar um resultado confuso, mas Knox examina a situação da maneira oposta: o conflito sobre o valor da constante de Hubble pode estar trazendo à luz um aspecto do Universo que até o momento havia escapado completamente à detecção. E ele não vê nada de estranho em haver vários tipos de elementos escuros por aí. Ele aponta que a parte visível do Universo contém muitos tipos diferentes de partículas e forças, e pergunta: o lado negro do Universo não poderia ser complicado também?

De qualquer forma, isso não é um debate filosófico, mas uma questão científica concreta. Novas observações do Universo primitivo pelo Telescópio do Pólo Sul na Antártica e o Telescópio de Cosmologia do Atacama no Chile continuarão a sondar o horizonte sonoro. Knox também faz parte de um projeto terrestre de próxima geração chamado CMB-S4 que pretende mapear a polarização do céu de microondas com grande sensibilidade. Além disso, Freedman está quase terminando sua reanálise abrangente de dados. Estudos de ondas gravitacionais fornecerão uma maneira completamente independente de avaliar o verdadeiro valor da constante de Hubble também.

Em breve, os dados determinarão se os cientistas estão perseguindo erros ou avançando em um setor não descoberto do Cosmo. "É muito mais interessante se for uma nova física fundamental - mas não cabe a nós querer que seja de um jeito ou de outro", diz Freedman. "O Universo não se importa com o que pensamos!"

Corey S. Powell

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