Compreender o cosmos 'indetectável' pode levar a mudanças significativas em algumas teorias muito apreciadas sobre o espaço-tempo.

A compreensão do universo escuro poderia nos ajudar a entender melhor o espaço e o tempo? Crédito da imagem: Shutterstock

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O que faz o universo se comportar dessa maneira? É uma pergunta que os cientistas têm se esforçado para responder há centenas de anos. Da teoria da relatividade geral de Einstein à matéria escura e energia escura, nossa compreensão do universo se expandiu enormemente. No entanto, à medida que nosso conhecimento se expande, essas explicações lutam cada vez mais para serem consistentes com o que estamos observando e, portanto, os cientistas estão agora procurando novas ideias para explicar o que vemos - "radiação escura" e "energia fantasma".

À medida que continuamos a observar e estudar o universo ao nosso redor usando instrumentos cada vez mais precisos e sistemas de processamento de dados sofisticados, as descobertas invariavelmente se revelam inesperadas. Talvez a mais famosa dessas descobertas foi a percepção gradual de que tudo o que podemos ver no universo, cada nuvem de poeira, campo de asteroides, planeta, estrela, nebulosa e aglomerado de galáxias, simplesmente não tem massa suficiente para garantir que o universo se comporte do jeito que ele claramente faz, pelo menos de acordo com o modelo padrão da cosmologia, baseado na teoria da relatividade geral de Einstein.

Uma solução potencial para este problema foi sugerida pela primeira vez no início dos anos 1930 com matéria escura, assim chamada porque deve consistir de um material que não emite nem reage com a luz visível, ou mesmo com qualquer parte do espectro eletromagnético. E assim nasceu o lado negro do universo.

Mais recentemente, embora indiretamente pela detecção de sua influência gravitacional, os astrônomos aprenderam mais sobre a matéria escura, principalmente o fato surpreendente de que ela deve representar cerca de 23% da massa total do universo. No entanto, uma vez que a matéria escura é adicionada à teoria de Einstein, ela se ajusta a tudo, desde a formação de estrelas, ao fato de que as galáxias não se separam simplesmente devido à sua taxa de rotação.

Mas não se trata apenas de matéria escura. Em 1929, as observações feitas por Edwin Hubble revelaram que o universo parecia estar se expandindo, que a maioria das galáxias estava se afastando de nós, e as que estavam mais distantes o faziam mais rapidamente. A correlação entre a distância e a velocidade com que o universo está se expandindo logo foi apelidada de constante de Hubble, mas não se deixe enganar por esse nome - ao que parece, não é constante nem imutável à medida que o universo se expande.

Quando se tratou do que estava causando essa expansão, os astrônomos acabaram optando pela ideia da energia escura como solução, uma forma desconhecida de energia que permeia todo o espaço e que garante que a matéria repele cada vez mais a matéria. Novamente, para que a teoria de Einstein funcione, essa energia escura precisa ser responsável por mais de dois terços, cerca de 73%, da energia do universo.

No entanto, nas décadas mais recentes, foram encontradas evidências indiretas que apoiam a ideia de energia escura, principalmente quando os astrônomos comparam medições de distância e sua relação com o desvio para o vermelho na luz detectada nos objetos. O fato de que o universo parece ter se expandido mais na última metade de sua vida é um exemplo de evidência a favor da energia escura. A energia escura pode muito bem explicar por que, indo por medições feitas dos padrões de direção na radiação cósmica de fundo (CMB), parece que o universo está perto de ser plano, o que só seria possível se alguma forma de energia desconhecida existisse para equilibrar sua densidade contra uma quantidade insuficiente de massa, matéria e matéria escura combinadas, no universo.

O Observatório Planck da Agência Espacial Européia (ESA) mediu a radiação cósmica de fundo em microondas do cosmos. Crédito da imagem: ESA

No entanto, a matéria escura e a energia escura agora parecem insuficientes para manter o modelo padrão da cosmologia perfeitamente sincronizado com o funcionamento do universo real. Os cosmologistas estão cada vez mais falando sobre radiação escura e uma forma específica de energia escura que foi apelidada de energia fantasma. Esta energia fantasma astronômica não deve ser confundida com a energia fantasma, ou "energia vampírica", extraída por equipamentos elétricos da rede quando desligados, mas ainda conectados.

Também se fala de gravidade "escura" ou "modificada", uma abordagem um pouco mais drástica que sugere que simplesmente não entendemos totalmente a natureza fundamental do universo e que a gravidade, especialmente em grandes escalas cosmológicas, não segue realmente o regras estabelecidas pela teoria da relatividade geral de Einstein.

Robert Caldwell é um físico teórico do Dartmouth College, New Hampshire, cuja pesquisa se concentra em abordar questões sobre as propriedades básicas do universo.

"Eu acho que elas realmente só foram discutidos desde cerca de 2000", disse ele. "A energia escura e a gravidade escura são ambas propostas para explicar a expansão cósmica significativamente acelerada, que não pode ser explicada de outra forma. Algumas pessoas sugeriram que talvez a gravidade tenha uma descrição diferente nas escalas cosmológicas, então isso leva o nome de modificada ou gravidade escura, eu meio que gosto de 'gravidade escura'. Radiação escura, isso é engraçado. Acho que realmente onde isso entra é a lacuna entre a quantidade 'permitida' de radiação no início do universo e a quantidade que podemos contabilizar."

Um instantâneo da luz mais antiga do universo, visto pelo satélite Planck da ESA. Crédito da imagem: ESA

Um incentivo recente para falar sobre esses novos aspectos de um universo 'escuro' foi um artigo científico, publicado em junho de 2016, escrito por Adam Riess da Johns Hopkins University, juntamente com o apoio de 14 coautores de 11 instituições de pesquisa em todo o mundo. Com base nos cálculos mais precisos das distâncias entre a Terra e 19 galáxias diferentes, contando com os "parâmetros" de mais de 2.000 estrelas Cefeidas variáveis e supernovas Tipo 1a - as descobertas do artigo foram surpreendentes. De acordo com o estudo, a velocidade revisada da expansão do universo é de 45,5 milhas por segundo (73,2 quilômetros por segundo) para cada 3,26 milhões de anos-luz - ou seja, a cada 3,26 milhões de anos-luz mais longe que olhamos, encontramos um universo que está se expandindo a 45,5 mps (73,2 km/s) mais rápido. Nesse ritmo, as distâncias entre objetos cósmicos provavelmente dobrarão em outros 9,8 bilhões de anos.

O desafio que essa figura refinada representa, no entanto, é que ela não se ajusta à taxa de expansão prevista a partir de medições mais amplas feitas da pós-luminescência do Big Bang, a radiação cósmica de fundo, medida pelo satélite Planck da Agência Espacial Europeia. Na verdade, a diferença é três a quatro vezes a 'incerteza' considerada nos números mais recentes.

Simplificando, o artigo sugere que o universo está atualmente se expandindo 9% mais rápido do que deveria, pelo menos de acordo com as previsões dos astrônomos. "Ou algo mais está faltando, já que há um novo tipo de substância que não conhecemos, ou as coisas que já conhecemos são realmente estranhas e malucas e algo engraçado está acontecendo", disse Brad Tucker, um dos autores do artigo do Observatório Mount Stromlo da Australian National University. "Ou adicionamos algo novo ou realmente temos que descobrir o que pensamos sobre a matéria escura e a energia escura e o que elas são."

Energia fantasma e a expansão do universo

Esta forma misteriosa de energia escura pode muito bem fazer com que nosso cosmos acabe sendo dilacerado

"Embora tenham sido publicadas dúvidas levantadas sobre a precisão de alguns desses dados do CMB, considerados pelo valor de face parece que podemos não ter o entendimento correto, e isso muda o quão grande a constante de Hubble deve ser hoje", disse Riess na época.

"Esta descoberta surpreendente pode ser uma pista importante para a compreensão dessas partes misteriosas do universo que constituem 95% de tudo e não emitem luz, como energia escura, matéria escura e radiação escura." Dada a sua amplitude e escopo, astrônomos ao redor do mundo levaram as descobertas de Riess e seus colegas muito a sério. Afinal, em 2011 Riess havia dividido o Prêmio Nobel de Física pela descoberta inicial de que o universo não estava apenas se expandindo, mas que a taxa com que o fazia também estava aumentando.

Erik Verlinde, da Universidade de Amsterdã, passou grande parte de seu tempo desde 2010 tentando desenvolver uma teoria da gravidade totalmente nova, que explica essas observações sem a necessidade de invocar coisas como a matéria escura e a energia escura. Isso resultou em sua teoria da gravidade emergente, assim chamada porque a gravidade não é uma força fundamental, afinal, mas um fenômeno emergente, semelhante à temperatura que emerge do movimento das partículas.

Isso se encaixa um pouco melhor com a mecânica quântica, a física do muito pequeno, do que a teoria da relatividade geral, a física do muito grande, que há muito tem sido um problema para quem busca a chamada teoria de tudo. Uma pesquisa internacional que analisou as lentes gravitacionais causadas pelas galáxias, publicada na edição de dezembro de 2016 dos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society, descobriu que as equações de Verlinde poderiam explicar as observações sem a necessidade de matéria escura. Esse foi apenas o primeiro teste da gravidade emergente, no entanto, e de forma alguma acabou para Einstein ainda.

Há uma relutância compreensível em abandonar totalmente a teoria da gravidade de Einstein e os dados bem estabelecidos sobre o CMB. O primeiro pode ser considerado incompleto, mas isso não é o mesmo que estar errado. Não é surpresa que tantos astrônomos tenham optado por haver algum fenômeno físico desconhecido responsável pela discrepância entre a teoria e as observações. Com a energia escura já assumida como o pé no acelerador que faz com que o universo se expanda, não é um grande passo sugerir maneiras pelas quais ela pode realmente estar afastando as galáxias umas das outras com uma força ainda maior, ou crescente, do que originalmente se esperava.

No entanto, outra ideia com apoio crescente é, que essa expansão maior do que o esperado do universo se deve a partículas subatômicas anteriormente desconhecidas que, em sua história inicial, viajavam perto da velocidade da luz. Coletivamente, elas são chamadas de radiação escura e incluem uma proposta de "quarto sabor de neutrino", deliciosamente conhecida como neutrinos estéreis.

O que é necessário, é claro, são as evidências. No momento, a taxa de expansão do universo é o único sinal significativo, embora indireto, de energia escura e, especificamente, de energia fantasma. "A taxa de aceleração é maior do que em outros modelos de energia escura ou teorias de energia escura", disse Caldwell. "Normalmente, isso é expresso em termos da equação de estado da energia escura; para a energia fantasma, a equação de estado é mais negativa do que um certo valor crítico. Juntar uma medição realmente boa da taxa de expansão é a principal maneira de algo como a energia escura ou energia fantasma está sendo testada.

Pulsating RS Puppis é o tipo de estrela usado para medir distâncias galácticas. Crédito da imagem: NASA / ESA / Hubble

"Você pode começar a restringir a gravidade escura dentro de uma teoria específica, suponho, fazendo os mesmos tipos de testes que faria para a energia fantasma. Mas se você realmente quiser testar essa ideia da gravidade escura, terá que olhar para alguns fenômenos onde veremos uma diferença apreciável", disse Caldwell.

"Em muitas das teorias que as pessoas propuseram, fenômenos como lentes gravitacionais deveriam parecer diferentes em um universo descrito pela gravidade escura ao invés da relatividade geral. E assim as pessoas estão procurando maneiras de usar experimentos de lentes fracas, onde em vez da lente ser o sol e a fonte de luz ser uma estrela na galáxia - como aconteceu em 1919, o que provou que a teoria de Einstein estava correta - a lente é um aglomerado de galáxias e a luz é muito maior."

No entanto, Caldwell ainda acha que precisamos aguardar uma nova ideia ou avanço tecnológico. "O problema com muitos desses testes ou teorias que buscamos é que em cada caso há uma lacuna e a preenchemos com algo", disse ele.

"Os observadores estão cumprindo seu dever de realizar as medições com o melhor da tecnologia que possuem e desenvolver novas técnicas, impulsionando a tecnologia, mas poucas dessas teorias têm uma previsão única que diria: 'Você só precisa medir uma coisa e esqueça o resto, e então você verá. 'Isso é um pouco problemático; acho que torna tudo mais difícil.’ Ainda estamos esperando por essa ideia ou medição realmente inovadora.

"Ainda assim, ele está tão comprometido quanto a maioria dos astrônomos com a ideia de que existem esses aspectos sombrios no universo. "Se eu encontrar um cosmologista agora que pensa que toda essa coisa de energia escura, gravidade escura está no caminho errado, eles estão simplesmente ignorando as evidências", disse ele.

Mas e se algum aspecto da gravidade escura provar que Einstein simplesmente errou? "Se descobrirmos um novo fenômeno gravitacional, perceberemos que a teoria de Einstein tem um papel semelhante à teoria de Newton", disse Caldwell. "Essa é uma bela teoria que leva a previsões testáveis com alta precisão, mas só é válida em um certo domínio, um certo intervalo de validade, ponto no qual leva para outra teoria."

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Referência: 

COCKBURN, Paul. Phantom energy and dark gravity: Explaining the dark side of the universe. Space, 30, jun. 2021.  All About Space magazine. Disponível em: <https://www.space.com/dark-gravity-phantom-energy>. Acesso em: 01, jul. 2021.