Brian Stauffer
Brian Stauffer

Velocidade de expansão do universo intriga cientistas

Astrofísicos se esforçam para 'remendar um buraco' no universo

Dennis Overbye, The New York Times

05 de março de 2019 | 06h00

Quando o universo tinha apenas 100 mil anos - uma massa em expansão fervilhando de partículas e radiação - ativou-se um campo de energia estranha. Ela encheu o espaço com uma espécie de anti-gravidade cósmica, fornecendo impulso à expansão do universo. Então, depois de aproximadamente mais 100 mil anos, o campo se desativou, sem deixar qualquer traço, além de um universo que se expandia em velocidade acelerado.

É esta a história divulgada por um grupo de astrônomos da Johns Hopkins University de Maryland. Eles sugeriram a existência deste campo para explicar um enigma astronômico: aparentemente, o universo se expande mais rápido do que deveria. Esta discrepância vem intrigando os astrônomos, que acreditam que ela pode revelar  algo novo a respeito do universo. 

Eles vêm se reunindo nos dois últimos anos para procurar algum erro ou brecha em seus cálculos anteriores, mas até agora inutilmente. “Se quisermos tratar com seriedade a cosmologia, este é o tipo de coisa que precisamos levar muito a sério”, disse Lisa Randall, uma cientista teórica de Harvard.

Segundo alguns pesquisadores, o problema poderia ser resolvido inferindo a existência de partículas subatômicas antes desconhecidas. Outros, como o grupo da Johns Hopkins, referem-se a novos tipos de campos de energia. Para aumentar a confusão, já existe um campo de força - chamado energia escura - que faz com que o universo se expanda mais rapidamente.

E um novo relatório sugere que esta energia escura pode estar se tornando mais forte e mais densa, levando a um futuro em que os átomos se destruirão e o tempo acabará. Até agora, não há provas da maioria destas ideias. Se alguma delas se revelar correta, os cientistas talvez tenham de reescrever a história da origem, evolução e destino do universo. Ou quem sabe, tudo pode ter sido um erro.

O problema de Hubble

O que está em questão é um número chamado a constante de Hubble, de Edwin Hubble, que em 1929 descobriu que o universo está em expansão. À medida que o universo se expande, ele provoca o afastamento das galáxias umas das outras, como os grãos de uva passa de um bolo que está crescendo. Quanto mais distantes duas galáxias estiverem, mais rapidamente elas se distanciarão uma da outra. A constante de Hubble simplesmente diz quanto.

Mas para calibrá-la, os astrônomos dependem das chamadas ‘velas normais’, que são objetos, como as explosões de supernovas e certas estrelas variáveis, cujas distâncias podem ser estimadas pela luminosidade ou por alguma outra característica. Até algumas dezenas de anos atrás, os astrônomos não conseguiam concordar com o valor da constante de Hubble em um fator de dois: 50 ou 100 quilômetros por segundo por megaparsec. (Um megaparsec equivale a 3,26 milhões de anos luz.)

Mas em 2010, Wendy L. Freedman, da Universidade de Chicago, chefiou uma equipe que usou o Telescópio Espacial Hubble e informou um valor de 72. Para cada megaparsec de distância de onde uma galáxia está em relação a nós, ela se move 72  quilômetros por segundo mais rapidamente. 

Estudos mais recentes, de Adam G. Riess, da Johns Hopkins, e outros, chegaram a números semelhantes, e os astrônomos agora afirmam que reduziram a incerteza da constante a apenas 2,4%. Estes dados são tão fantásticos que atualmente discordam dos resultados da espaçonave europeia Planck, que prevê uma constante de Hubble de 67.

A discrepância - 9% - parece fatal, mas é possível que não seja, segundo os astrônomos, porque a Planck e astrônomos humanos fizeram observações diferentes. Planck passou quatro anos estudando o banho cósmico de micro-ondas que sobrou do fim do Big Bang, quando o universo tinha apenas 380 mil anos. O grupo de Planck derivou o valor da constante de Hubble de um modelo matemático em grande parte baseado nestas micro-ondas. 

Em suma, a constante de Hubble da Planck baseia-se na imagem de uma criança cósmica, enquanto o valor clássico é derivado de medições com a profundidade de alguns bilhões de anos luz em um universo de meia idade. E se a imagem da criança tiver deixado de lado uma importante característica do universo? Os cosmólogos tentam consertar o modelo do universo inicial, para fazê-lo expandir-se um pouco mais rapidamente sem quebrá-lo.

Uma estratégia consistiria em acrescentar ao universo inicial outras espécies de partículas subatômicas leves, como os neutrinos semelhantes a fantasmas. Isto daria ao universo mais espaço para armazenar energia. Desse modo revigorado, o universo se expandiria mais rapidamente, segundo a matemática do Big Bang, e quem sabe não comprometeria a imagem do bebê das micro-ondas.

Uma estratégia mais drástica do grupo da Johns Hopkins explora um aspecto da teoria das cordas que sugere que o espaço poderia estar amarrado a campos de energia exótica associados a partículas leves ou a forças que ainda não foram descobertas. Estes campos, chamados coletivamente quintessência, poderiam atuar em oposição à gravidade e mudar com o tempo - surgindo, decaindo ou alterando o seu efeito passando da repulsão para a atração.

Se este campo tivesse surgido quando o universo tinha cerca de 100 mil anos, poderia ter produzido a quantidade certa de energia para corrigir a discrepância de Hubble, escreveram os pesquisadores em um artigo, no ano passado. Eles se referiam a esta força teórica como “energia escura inicial”.

Riess disse que a ideia aparentemente funciona, o que não significa que esteja correta. A palavra final caberá a observações futuras. Entretanto, Randall discorda de certos aspectos dos cálculos da Johns Hopkins. Juntamente com três colegas de Harvard, ela trabalha atualmente em uma ideia que, na sua opinião, funciona igualmente bem e é matematicamente coerente.

O fim do mundo? Talvez não

A energia escura inicial atrai alguns cosmólogos porque alude a uma relação com, ou entre, dois misteriosos episódios na história do universo. O primeiro episódio ocorreu quando o universo tinha menos de um trilionésimo de um trilionésimo de segundo. Neste momento, supõem os cosmólogos, um crescimento exponencial impulsionou o Big Bang; este evento - chamado “inflação” - achatou o caos inicial tornando-o o universo mais ordenado que observamos hoje. Ninguém sabe o que provocou isto.

O segundo episódio está ocorrendo nos dias de hoje: a expansão cósmica está acelerando. Mas por que razão? A questão veio à luz em 1998, quando duas equipes concorrentes de astrônomos indagaram se a gravidade coletiva das galáxias poderia estar reduzindo a expansão a ponto de, um dia, arrastar tudo em um Big Crunch, o Grande Colapso. Eles descobriram o oposto: a expansão está acelerando sob a influência de uma força anti-gravitacional posteriormente chamada energia escura. As equipes ganharam o Prêmio Nobel.

A energia escura, a força invocada pelo grupo da Johns Hopkins, poderia representar um terceiro episódio de anti-gravidade que assume o controle do universo e faz com que ele acelere. Talvez as três sejam manifestações da mesma tendência do universo a acelerar ocasionalmente. Se for este o caso, significaria que a manifestação atual da energia escura poderia se apagar um dia.

Isto acabaria com um pesadelo existencial que assombra os astrônomos, e todo mundo, a respeito do futuro do universo. Se a energia escura permanecer constante, tudo o que está fora da nossa galáxia se distanciará de nós mais rapidamente do que a velocidade da luz, e não será mais visível. O universo se tornará sem vida e extremamente escuro. Mas se a energia escura for temporária - se um dia ela apagar - os cosmólogos poderão observar um futuro compreensível.

O cosmos fantasma

Na realidade, a energia escura que existe atualmente no universo diminuiu ao longo do tempo cósmico, segundo um relatório recente da revista “Nature Astronomy”. Se isto se mantiver, o universo poderá acabar um dia no que os astrônomos chamam de o Big Rip, com os átomos e as partículas elementares dilaceradas - talvez a catástrofe cósmica definitiva.

Este cenário emerge da obra de Guido Risaliti, da Universidade de Florença, na Itália, e Elisabeta Lusso, da Durham University na Inglaterra. Nos últimos quatro anos, eles sondaram a história profunda do universo, usando cataclismos distantes, chamados quasars como marcadores de distâncias. Os quasars surgem de buracos negros supermaciços no centro das galáxias; são os objetos mais brilhantes da natureza, vistos em todo o universo.

Os pesquisadores rastrearam a história do cosmos até cerca de 12 bilhões de anos, e descobriram que a taxa de expansão cósmica se desviou das expectativas neste espaço de tempo. Uma interpretação dos resultados é que a energia escura não é constante, mas mutável, tornando-se mais densa e portanto mais forte ao longo do tempo cósmico. Acontece então que este aumento da energia escuta também seria suficiente para resolver a discrepância das medições da constante de Hubble.

A má notícia é que, se este modelo estiver certo, a energia escura poderá estar em uma forma particularmente violenta e - segundo a maioria dos físicos - implausível chamada energia fantasma. A sua resistência implicaria que as coisas podem perder energia, por exemplo, acelerando. À medida que o universo se expande, a pressão da energia fantasma cresceria de maneira descontrolada, superando a gravidade, e fragmentando inicialmente a Terra e depois os átomos.

A comunidade da constante de Hubble respondeu ao novo relatório com cautela. “Se isto se sustentar, será um resultado muito interessante”, disse Freedman. Duas missões espaciais - a Euclides, da Agência Espacial Europeia e o Wfirst, da NASA - foram projetadas para estudar a energia escura e finalmente apresentar respostas definitiva na próxima década. O que está em jogo é o destino do universo.

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