O universo pode ser imenso, mas os pesquisadores têm vários pontos de evidência que revelam sua forma

O universo pode ser vasto, mas os pesquisadores têm vários pontos de evidência que revelam sua forma. Crédito da imagem: Weiquan Lin via Getty Images

O universo pode parecer sem forma porque é tão vasto, mas possui uma forma que os astrônomos podem observar. Então, como é a forma do universo?

No que diz respeito a questões tão importantes, seus componentes são notavelmente simples. A estrutura final do universo depende apenas de dois fatores: Sua densidade e sua taxa de expansão.

O Universo é fechado, aberto ou plano?

Aproximadamente 68% do universo é energia escura e 27% é matéria escura. O restante é matéria normal, responsável por planetas, estrelas e outros corpos. A densidade do universo refere-se a quanto dessa matéria é compactada em um determinado volume de espaço.

Se a densidade do universo for grande o suficiente para que sua gravidade supere a força de expansão, o universo se enrolará em uma bola. Isso é conhecido como modelo fechado, com curvatura positiva semelhante a uma esfera. Uma propriedade alucinante deste universo é que ele é finito, mas não tem limites. Um Fernão de Magalhães intergaláctico poderia circunavegá-lo, atravessando o espaço para sempre sem bater em uma parede ou cair em uma borda.

Por outro lado, se a densidade do universo for baixa e incapaz de interromper a expansão, o espaço se dobrará na direção oposta. Isso formaria um universo aberto com curvatura negativa semelhante a uma sela.

As três geometrias possíveis do universo. Crédito da imagem: Equipe científica da NASA/WMAP

Há também um cenário, Cachinhos Dourados para o universo, que os cientistas dizem ser o mais plausível. A maioria das evidências cosmológicas aponta para a densidade do universo como sendo a correta - o equivalente a cerca de seis prótons por 1,3 jardas cúbicas, e que ela se expande em todas as direções sem se curvar positivamente ou negativamente. Em outras palavras, o universo é plano. (Talvez isso venha como um consolo para qualquer pessoa desapontada com a redondeza de nosso planeta.)

Plano em 3D

O que significa um universo plano, no entanto? Esse nivelamento não é o tipo bidimensional que costumamos encontrar na vida cotidiana, mas você pode imaginá-lo com algumas analogias.

Digamos que você esteja em um canto de uma sala quadrada. Caminhe 3 metros ao longo da parede até o próximo canto e vire 90 graus. Ande mais 3 metros e gire 90 graus novamente. Faça isso mais duas vezes e você voltará ao ponto de partida, completou um quadrado. Esta é a geometria euclidiana padrão que todos nós aprendemos no ensino médio e, se você adicionar mais uma dimensão, terá um universo plano.

Mas a realização desse experimento em um espaço positivamente curvo que representa um universo fechado criaria um resultado diferente. Desta vez, comece no equador da Terra e caminhe até o Polo Norte. Em seguida, vire 90 graus e caminhe de volta ao equador. Vire 90 graus mais uma vez e volte ao ponto de partida. No exemplo do universo plano, demorou quatro voltas para voltar ao ponto de partida, mas apenas três no exemplo do universo fechado.

Se você (compreensivelmente) ainda estiver confuso, aqui está outro exemplo: Em um universo plano, dois foguetes voando próximos um do outro sempre permanecerão paralelos. Isso é diferente de um universo fechado, no qual os caminhos desses dois foguetes irão divergir, caminhar ao longo da curvatura do espaço e, eventualmente, dar uma volta para se encontrar onde eles começaram. E em um universo aberto, com curvas negativas, os foguetes se separarão e nunca mais se cruzarão.

'Crise cosmológica'

As melhores pistas sobre a forma do universo estão embutidas na radiação cósmica de fundo (CMB), o resplendor do Big Bang que se irradia em nossa direção de todas as direções. Nas últimas décadas, os cientistas mediram repetidamente as flutuações de temperatura da CMB. Essencialmente realizando trigonometria na maior escala possível, e quase não encontraram curvatura.

Um universo plano é uma peça-chave do modelo cosmológico padrão, também conhecido como modelo Lambda de matéria escura fria (ΛCDM). (Λ é a letra grega para lambda, denotando energia escura.) Mas, no final de 2019, Alessandro Melchiorri da Universidade Sapienza de Roma e seus colegas publicaram um artigo concluindo que as medições CMB feitas pelo observatório espacial de Planck indicam um universo fechado.

Eles analisaram a quantidade de lentes gravitacionais. O quanto a luz do CMB foi desviada pela gravidade da matéria em seu caminho, e encontraram um valor maior do que o previsto pelo modelo ΛCDM. Se você remover a suposição de um universo plano, em vez de “tentar ajustar os dados ao modelo errado”, diz ele, o desvio desaparece.

A colaboração Planck (da qual Melchiorri faz parte) também detectou uma anomalia de lente, mas não a achou tão significativa. “É algo com o qual você pode conviver com bastante facilidade”, diz Antony Lewis, cosmologista da Universidade de Sussex em Brighton, Inglaterra, e membro da equipe do Planck. Ele, como a maioria dos pesquisadores, atribui a discrepância a um acaso estatístico. “Se você obtiver um grande conjunto de dados e procurar estranhezas”, disse Lewis, “é provável que você a encontre”.

Melchiorri admite que está “bancando o advogado do diabo”, mas acredita que os cientistas devem permanecer humildes e não descartar os dados do Planck de uma vez. O que ele quer dizer não é que o universo está fechado, por si só, apenas que essa inconsistência pode estar nos dizendo algo importante. Ele também reconhece as implicações dessa afirmação. Ele e seus co-autores consideraram isso uma "crise cosmológica". “Uma vez que você assume que um universo fechado é um pouco uma catástrofe”, diz ele, “porque há muitos conjuntos de dados que começam a estar em tensão com [os dados do Planck].”

Plano até onde a vista alcança

Se for verdade, isso destruiria décadas de descobertas astronômicas. Mas, fora esses dados, não há a menor razão para duvidar que o universo seja plano. Todas as outras medições do CMB, como as do Atacama Cosmology Telescope (ACT) no Chile e a Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, são consistentes com achatamento. Dados de outras fontes, principalmente oscilações acústicas bariônicas - as marcas deixadas nas galáxias por ondas sonoras primordiais que ocorreram após o Big Bang também sugerem achatamento.

Qualquer teoria apoiada por evidências tão contundentes deixaria a maioria dos cientistas céticos em relação a um único outlier. “O papel de Melchiorri não é ridículo”, diz Spergel, pois realmente descreve uma característica dos dados do Planck que favorece a curvatura positiva. “Mas”, acrescenta ele, “quando você vai e obtém mais dados, vê uma imagem bastante consistente de um universo plano.”

Em um artigo publicado em dezembro, Spergel e dezenas de outros pesquisadores associados ao ACT combinaram seus próprios dados e outros conjuntos de dados com os dados do Planck. Eles encontraram "nenhuma evidência de desvio de achatamento, apoiando a interpretação de que o [desvio de Planck] é uma flutuação estatística". Outras análises desde a publicação do artigo de Melchiorri, incluindo uma em fevereiro passado pelos cosmologistas da Universidade de Cambridge George Efstathiou e Steven Gratton, concluíram o mesmo. Para eles, não há necessidade de atualizar o modelo ΛCDM.

David Spergel, um astrofísico teórico e professor emérito de ciências astrofísicas na Universidade de Princeton, tem investigado a forma do universo por décadas. Em um estudo de 2003 publicado no The Astrophysical Journal, Spergel mediu irregularidades no fundo cósmico de micro-ondas (CMB), a luz que sobrou do Big Bang, que foram observadas pela Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) da NASA e mais tarde pela espaçonave Planck da Agência Espacial Europeia.

As quantidades de energia positiva e negativa em um universo plano são exatamente as mesmas e, portanto, se cancelam. Se o universo tivesse uma curvatura, uma seria mais alta que a outra. “Um universo plano corresponde a um universo com energia zero”, segundo Spergel.

Então, pelo menos por enquanto, o universo parece ser uma folha de papel tridimensional. Mas assim como Melchiorri não insiste que está realmente fechado, nem todos os cientistas insistem que é realmente plano, é assim que parece do nosso ponto de vista. Nossas observações são, por definição, limitadas ao universo observável, portanto, pode estar faltando alguma coisa.

Se o universo é curvo, porém, deve ser tão colossal que todos os 93 bilhões de anos-luz que podemos ver não são uma porção grande o suficiente para revelar a curvatura. Para tomar um exemplo da Terra, Gratton diz, poderia ser como se estivéssemos em uma névoa, incapaz de ver além de um pequeno pedaço de terra plano, mas em algum lugar fora da vista, o horizonte prova que vivemos em uma esfera. “Quando dizemos que o universo é plano”, diz ele, “o que estamos dizendo é que, do pequeno pedaço do universo que podemos ver, é consistente com ser parte de uma [analogia 3D de uma] superfície plana”.

Ainda outra linha de evidência sugere que o universo é plano: É isotrópico, o que significa que parece o mesmo de todos os ângulos. Anton Chudaykin, físico do Instituto de Pesquisa Nuclear na Rússia, e colegas analisaram os dados sobre oscilações em matéria regular, ou "bariônica", bem como modelos de como núcleos atômicos mais pesados que o hidrogênio foram criados logo após o Big Bang, para estimar a curvatura do universo.

“Em diferentes geometrias, matéria e luz evoluem de maneira diferente, o que nos permite extrair a forma tridimensional do universo a partir de dados de observação”, disse Chudaykin. 

A pesquisa, publicada na revista Physical Review D, descobriu que com uma margem de precisão de 0,2%, o universo seria plano. "Os dados que coletamos indicam que a curvatura espacial é consistente com zero", escreveram os pesquisadores no estudo. "Isso implica que nosso universo dentro da incerteza estatística é infinito".

—Este artigo foi atualizado em 14 de Novembro de 2022 pelo editor da Gaia Ciência.

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Referência:

COTTIER, Cody. What shape is the universe? Astronomy, 23, fev. 2021. Disponível em: <https://astronomy.com/news/2021/02/what-shape-is-the-universe>. Acesso em: 14, nov. 2022.

RAYNE, Elizabeth. What is the shape of the universe? Live Science, Nova York, 13, nov. 2022. Disponível em: <https://www.livescience.com/what-is-shape-of-universe>. Acesso em: 14, nov. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.