Nova Física prestes a surgir?

Leonard Doublet / Universidade de Swinburne

A cosmologia está num ponto crítico – e podemos estar à beira de descobrir uma “Nova Física”.

Nos últimos anos, uma série de controvérsias tem abalado o domínio bem estabelecido da cosmologia.

Basicamente, as previsões do modelo padrão do Universo parecem estar em desacordo com algumas observações recentes.

Há debates acesos sobre se estas observações são tendenciosas, ou se o modelo cosmológico, que prevê a estrutura e a evolução de todo o universo, pode estar a precisar de ser repensado.

Há mesmo quem afirme que a cosmologia está em crise. Neste momento, não sabemos que lado vai ganhar.

Mas é interessante o facto de estarmos prestes a descobri-lo, explica a astrofísica canadiana Andreea Font num artigo no The Conversation.

As controvérsias são apenas o “curso normal do método científico”. E ao longo de muitos anos, o modelo cosmológico padrão teve a sua quota-parte de controvérsias.

O atual modelo sugere que o universo é constituído por 68,3% de “energia negra” (uma substância desconhecida que provoca a aceleração da expansão do universo), 26,8% de matéria negra (uma forma desconhecida de matéria) e 4,9% de átomos comuns, medidos com grande precisão a partir da radiação cósmica de fundo em micro-ondas – o rescaldo da radiação do Big Bang.

O modelo padrão explica com muito sucesso uma grande quantidade de dados, tanto a grande como a pequena escala do Universo. Por exemplo, pode explicar coisas como a distribuição das galáxias à nossa volta e a quantidade de hélio e deutério produzidos nos primeiros minutos do Universo.

Talvez o mais importante seja o facto de também poder explicar perfeitamente a radiação cósmica de fundo em micro-ondas.

Este facto levou a que ganhasse a reputação de “modelo de concordância”. Mas uma tempestade perfeita de medições inconsistentes – ou “tensões”, como são conhecidas em cosmologia – está agora a questionar a validade deste modelo de longa data.

Tensões incómodas

O modelo padrão faz suposições específicas sobre a natureza da energia escura e da matéria escura. Mas apesar de décadas de intensa observação, parece que ainda não estamos perto de descobrir de que são feitas a matéria e a energia escuras.

O teste decisivo é a chamada tensão de Hubble. Esta relaciona-se com a constante de Hubble, que é a taxa de expansão do Universo no momento atual.

Quando medida no nosso universo próximo, local, a partir da distância a estrelas pulsantes em galáxias próximas, chamadas Cefeidas, o seu valor é de 73 km/s/Mega parsec (Mpc é uma unidade de medida para distâncias no espaço intergaláctico). No entanto, quando previsto teoricamente, o valor é de 67,4 km/s/Mpc. A diferença pode não ser grande (apenas 8%), mas é estatisticamente significativa.

Com o advento do Telescópio Espacial James Webb (JWST), que pode separar as estrelas individualmente, esperava-se que tivéssemos uma resposta para esta tensão. Frustrantemente, isso ainda não aconteceu.

Uma medição precisa mas imprecisa é como tentar ter uma conversa com uma pessoa que está sempre a perder o ponto. Para resolver desacordos entre dados contraditórios, precisamos de medições que sejam simultaneamente precisas e exactas.

A boa notícia é que a tensão do Hubble é atualmente uma história em rápido desenvolvimento. Talvez tenhamos a resposta para ela no próximo ano.

Como sair desta tensão

Melhorar a exatidão dos dados, por exemplo, incluindo estrelas de galáxias mais distantes, ajudará a resolver este problema. Do mesmo modo, as medições das ondulações no espaço-tempo, conhecidas como ondas gravitacionais, também poderão ajudar-nos a determinar a constante.

Isto pode confirmar o modelo padrão. Ou, por outro lado, pode sugerir que há algo em falta nele. Talvez a natureza da matéria negra ou a forma como a gravidade se comporta em escalas específicas seja diferente daquilo em que acreditamos atualmente.

Mas antes de descartar o modelo, temos de nos maravilhar com a sua precisão inigualável. Só erra o alvo em, no máximo, alguns por cento, ao extrapolar mais de 13 mil milhões de anos de evolução.

Para pôr isto em perspetiva, mesmo os movimentos dos planetas do Sistema Solar só podem ser calculados com fiabilidade durante menos de mil milhões de anos, após o que se tornam imprevisíveis.

Apesar de tudo, o modelo cosmológico padrão é uma máquina extraordinária.

Mas há mais tensões

A tensão de Hubble não é o único problema para a cosmologia. Uma outra, conhecida como “tensão S8”, também está a causar problemas, embora não na mesma escala.

Neste caso, o modelo tem um problema de suavidade, ao prever que a matéria no Universo deveria estar mais agrupada do que a que observamos na realidade – cerca de 10%.

Existem várias formas de medir a “aglomeração” da matéria, por exemplo, analisando as distorções na luz das galáxias, produzidas pela suposta matéria escura que intervém ao longo da linha de visão.

Atualmente, parece haver um consenso na comunidade de que as incertezas nas observações têm de ser eliminadas antes de se excluir o modelo cosmológico. Uma forma possível de aliviar esta tensão é compreender melhor o papel dos ventos gasosos nas galáxias, que podem empurrar alguma da matéria para fora, tornando-a mais suave.

Compreender como as medições de aglomeração em pequenas escalas se relacionam com as medições em escalas maiores ajudaria. As observações podem também sugerir a necessidade de alterar a forma como modelamos a matéria escura.

Por exemplo, se em vez de ser inteiramente constituída por partículas frias e de movimento lento, como o modelo padrão assume, a matéria escura pudesse ser misturada com algumas partículas quentes e de movimento rápido. Isto poderia abrandar o crescimento da aglomeração em tempos cósmicos tardios, o que aliviaria a tensão S8.

O JWST pôs em evidência outros desafios ao modelo padrão. Um deles é o facto de as primeiras galáxias parecerem ser muito mais maciças do que o esperado. Algumas galáxias podem pesar tanto como a Via Láctea atual, apesar de se terem formado menos de mil milhões de anos após o Big Bang, o que sugere que deveriam ser menos maciças.

No entanto, as implicações contra o modelo cosmológico são menos claras neste caso, uma vez que podem existir outras explicações possíveis para estes resultados surpreendentes.

A chave para resolver este problema é melhorar a medição das massas estelares nas galáxias. Em vez de as medirmos diretamente, o que não é possível, inferimos essas massas a partir da luz emitida pelas galáxias.

Este passo envolve algumas hipóteses simplificadoras, que podem traduzir-se numa sobrestimação da massa.

Recentemente, argumentou-se também que alguma da luz atribuída a estrelas nestas galáxias é gerada por poderosos buracos negros. Isto implicaria que estas galáxias podem, afinal, não ser tão maciças.

Teorias alternativas

Então, em que ponto estamos agora? Embora algumas tensões possam em breve ser explicadas por mais e melhores observações, ainda não é claro se haverá uma resolução para todos os desafios que afetam o modelo cosmológico.

No entanto, não têm faltado ideias teóricas sobre como corrigir o modelo – talvez demasiadas (na ordem das centenas e a contar). É uma tarefa desconcertante para qualquer teórico que queira explorá-las todas.

As possibilidades são muitas. Talvez precisemos de mudar os nossos pressupostos sobre a natureza da energia escura. Talvez seja um parâmetro que varia com o tempo, como sugerem algumas medições recentes. Ou talvez precisemos de acrescentar mais energia escura ao modelo para aumentar a expansão do Universo nos primeiros tempos ou, pelo contrário, nos últimos tempos.

Modificar a forma como a gravidade se comporta em grandes escalas do Universo (de forma diferente do que é feito nos modelos chamados Dinâmica Newtoniana Modificada, ou MOND) também pode ser uma opção.

Até agora, no entanto, nenhuma destas alternativas consegue explicar a vasta gama de observações que o modelo padrão consegue. Ainda mais preocupante é o facto de algumas delas poderem ajudar numa tensão mas piorar noutras.

A resposta a estas tensões virá, sem dúvida, de mais dados. Nos próximos anos, uma poderosa combinação de observações de experiências como o JWST, o Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), o Observatório Vera Rubin e o Euclid, entre muitos outros, ajudar-nos-á a encontrar as respostas há muito procuradas.

“Nova Física”?

Por um lado, dados mais exactos e uma melhor compreensão das incertezas sistemáticas das medições poderão fazer-nos regressar ao conforto tranquilizador do modelo padrão. Dos seus problemas passados, o modelo pode emergir não só justificado, mas também reforçado, e a cosmologia será uma ciência simultaneamente precisa e exacta.

Mas se a balança pender para o outro lado, seremos conduzidos a território desconhecido, onde será necessário descobrir uma Nova Física.

Isto poderia levar a uma grande mudança de paradigma na cosmologia, semelhante à descoberta da expansão acelerada do Universo no final da década de 1990. Mas neste caminho poderemos ter de contar, de uma vez por todas, com a natureza da energia escura e da matéria escura, dois dos grandes mistérios não resolvidos do Universo.