Os astrônomos estão obtendo algumas respostas para uma questão antiga.

Aglomerados de galáxias na "teia cósmica". Crédito da imagem: K. Dolag, Universitäts-Sternwarte München, Ludwig-Maximilians-Universität München, Alemanha

Por décadas, cosmologistas se perguntaram se a estrutura em grande escala do universo é um fractal - isto é, se parece a mesma, não importa quão grande seja a escala. Depois de completar pesquisas massivas de galáxias, os cientistas finalmente têm uma resposta: Não, mas de certa forma.

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No início do século 20, os astrônomos, começando com Edwin Hubble e sua descoberta da enorme distância até Andrômeda, a galáxia mais próxima da nossa Via Láctea, começaram a perceber que o universo é quase inimaginavelmente vasto. Eles também aprenderam que podemos ver galáxias espalhadas, tanto próximas quanto distantes. E então, naturalmente, surgiu uma questão: existe algum tipo de padrão para o arranjo dessas galáxias, ou é totalmente aleatório?

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No início, parecia aleatório. Os astrônomos viram aglomerados de galáxias gigantes, cada um contendo mil ou mais galáxias. E também havia grupos muito menores de galáxias e galáxias sozinhas. Juntas, as observações fizeram parecer que não havia um padrão abrangente para o cosmos.

E os astrônomos concordaram com isso. Há muito eles assumiam uma ideia chamada princípio cosmológico, isto é, que o universo é basicamente homogêneo (quase o mesmo de um lugar para outro) e isotrópico (quase o mesmo, não importa para qual direção você olhe). Um monte de galáxias e aglomerados aleatórios se encaixam perfeitamente nesse princípio.

Mas no final dos anos 1970, os levantamentos de galáxias tornaram-se sofisticados o suficiente para revelar o início de um padrão no arranjo das galáxias. Além dos aglomerados, havia também filamentos longos e finos de galáxias. Havia paredes largas. E então havia os vazios, vastas extensões de nada. Os astrônomos a chamam de teia cósmica. Esse padrão violaria o princípio cosmológico, porque significaria que grandes regiões do universo não se pareciam com outras grandes regiões do universo.

Então, talvez houvesse mais nessa história.

Um universo dentro de um universo

Uma proposta veio do matemático Benoit Mandelbrot, o pai dos fractais. Fractais são frustrantemente difíceis de definir, mas podem ser simples de intuir: são padrões que se repetem, não importa o quanto você amplie ou afaste o zoom. Mandelbrot não inventou o conceito de fractais, os matemáticos vinham estudando padrões auto-semelhantes há muito tempo, mas ele cunhou a palavra "fractal" e deu início ao nosso estudo moderno do conceito.

Fractais estão por toda parte. Se você aumentar o zoom no ponto de um floco de neve, verá flocos de neve em miniatura. Se você ampliar os galhos de uma árvore, verá galhos em miniatura. Se você aumentar o zoom em uma costa, verá litorais em miniatura. Os fractais nos cercam na natureza, e a matemática dos fractais nos permitiu compreender uma vasta variedade de estruturas auto-semelhantes no universo.

Se os fractais estão por toda parte, supôs Mandelbrot, então talvez o universo inteiro seja um fractal. Talvez o que vimos como o padrão no arranjo das galáxias foram os passos iniciais do maior fractal possível. Talvez, se construíssemos pesquisas sofisticadas o suficiente, encontraríamos estruturas aninhadas, teias cósmicas dentro de teias cósmicas, preenchendo todo o universo até o infinito.

Homogeneizado e pasteurizado

À medida que os astrônomos descobriam mais sobre a teia cósmica, eles aprenderam mais sobre a história do Big Bang e descobriram maneiras de explicar a existência dos padrões de grande escala no universo. Essas teorias previam que o universo ainda era homogêneo, apenas em escalas muito, muito maiores do que os astrônomos haviam observado anteriormente.

O teste final de um universo fractal não viria até este século, quando pesquisas verdadeiramente gigantescas, como a Sloan Digital Sky Survey, foram capazes de mapear as localizações de milhões de galáxias, pintando um retrato da teia cósmica em escalas nunca observadas antes.

Se a ideia do universo fractal for verdadeira, então devemos ver nossa teia cósmica local embutida em uma teia cósmica muito maior. Se estiver errada, então, em algum ponto, a teia cósmica deve deixar de ser uma teia cósmica, e um pedaço aleatório e grande o suficiente do universo deve se parecer (estatisticamente) com qualquer outro pedaço aleatório.

O resultado é homogeneidade, mas em uma escala alucinante. Você tem que ir até cerca de 300 milhões de anos-luz antes que o universo pareça homogêneo.

O universo definitivamente não é um fractal, mas partes da teia cósmica ainda têm propriedades interessantes de fractal. Por exemplo, aglomerados de matéria escura chamados "halos", que hospedam galáxias e seus aglomerados, formam estruturas e subestruturas aninhadas, com halos contendo subhalos e sub sub-halos dentro deles.

Por outro lado, os vazios de nosso universo não são totalmente vazios. Eles contêm algumas galáxias anãs tênues, e essas poucas galáxias estão organizadas em uma versão sutil e tênue da teia cósmica. Em simulações de computador, os sub-vazios dentro dessa estrutura também contêm suas próprias teias cósmicas efervescentes.

Portanto, embora o universo como um todo não seja um fractal e a ideia de Mandelbrot não se sustentou, ainda podemos encontrar fractais em quase todos os lugares que olhamos.

• Saiba mais ouvindo o episódio "Is the universe a fractal?" no podcast Ask A Spaceman, disponível no iTunes e askaspaceman.com . Obrigado a Mitchell L.

- Paul M. Sutter  é astrofísico da SUNY Stony Brook e do Flatiron Institute, apresentador de Ask a Spaceman e Space Radio e autor de How to Die in Space.

Fonte: Live Science