Teoria da relatividade geral de Einstein pode ter uma falha

Um novo estudo descobriu uma possível lacuna na teoria da relatividade geral de Albert Einstein, que precisaria de ajustes para explicar como é que a gravidade funciona em escala cósmica.

Esta não é a primeira vez que a teoria de Einstein é posta em causa. Pavel Kroupa, professor de astrofísica, disse recentemente que está na altura de atualizar a teoria – porque temos mais e melhores métodos de observação do que há um século.

De acordo com a teoria da relatividade geral, tanto a energia quanto a matéria fazem o “tecido” do espaço-tempo distorcer, e a curvatura gerada nessa interação física resulta na força da gravidade. Assim, segundo o cientista alemão, objetos com campos gravitacionais fortes são capazes de desviar a trajetória da luz.

A teoria tem sido notavelmente bem-sucedida ao descrever a gravidade de estrelas e planetas, mas não parece aplicar-se perfeitamente em todas as escalas.

Por exemplo, a teoria de Einstein demonstra lacunas quando aplicada a distâncias extremamente pequenas, onde operam as leis da mecânica quântica, ou quando tentamos descrever todo o Universo.

Foi neste último ponto que o novo estudo, publicado em outubro na revista Nature Astronomy, se focou.

A teoria quântica prevê que o vazio está repleto de energia. No entanto, de acordo com Einstein, a energia do vácuo tem uma gravidade repulsiva – afasta o espaço vazio. Curiosamente, em 1998, descobriu-se que a expansão do Universo está de facto a acelerar.

Contudo, a quantidade de energia do vácuo, ou energia escura, como tem sido chamada, necessária para explicar a aceleração é várias ordens de magnitude menor do que a teoria quântica prevê.

Daí a grande questão, apelidada de “o velho problema da constante cosmológica”, é se a energia do vácuo realmente gravita – exercendo uma força gravitacional e alterando a expansão do Universo.

Se sim, então porque é que a sua gravidade é muito mais fraca do que o previsto? Se o vácuo não gravita, o que está a causar a aceleração cósmica?

Não sabemos o que é a energia escura, mas precisamos de supor que existe para explicar a expansão do Universo. Da mesma forma, também precisamos de supor que existe um tipo de presença de matéria invisível, apelidada de matéria escura, para explicar como as galáxias e os aglomerados evoluíram para ser como são hoje.

O facto de que a maior parte do Universo é composto de forças e substâncias escuras, assumindo valores estranhos que não fazem sentido, levou muitos físicos a questionarem-se se a teoria da gravidade de Einstein precisa de modificação para descrever todo o Universo.

Uma nova reviravolta apareceu há alguns anos, quando se tornou aparente que diferentes formas de medir a taxa de expansão cósmica, apelidada de constante de Hubble, dão respostas diferentes – um problema conhecido como tensão de Hubble.

A discordância, ou tensão, é entre dois valores da constante de Hubble. Um é o número previsto pelo modelo cosmológico LCDM, que foi desenvolvido para corresponder à luz que sobrou do Big Bang. A outra é a taxa de expansão medida pela observação de estrelas explosivas, conhecidas como supernovas, em galáxias distantes.

Muitas ideias teóricas foram propostas para formas de modificar o LCDM para explicar a tensão de Hubble. Entre elas estão as teorias alternativas da gravidade.

À procura de respostas

Podemos projetar testes para verificar se o Universo obedece às regras da teoria de Einstein. Neste novo estudo, os autores testaram as leis básicas da relatividade geral. Também exploraram se a modificação de teoria de Einstein poderia ajudar a resolver alguns dos problemas em aberto da cosmologia, como a tensão de Hubble.

Para descobrir se a relatividade geral está correta em grandes escalas, os cientistas propuseram-se, pela primeira vez, a investigar simultaneamente três aspetos dela. Estes foram a expansão do Universo, os efeitos da gravidade sobre a luz e os efeitos da gravidade sobre a matéria.

Usando um método estatístico conhecido como inferência Bayesiana, reconstruiram a gravidade do Universo através da história cósmica num modelo de computador baseado nesses três parâmetros. De seguida, compararam a sua reconstrução com a previsão do modelo LCDM (essencialmente o modelo de Einstein).

Os cientistas encontraram pistas interessantes de uma possível incompatibilidade com a previsão de Einstein, embora com significância estatística bastante baixa. Isso significa que, no entanto, existe a possibilidade de que a gravidade funcione de maneira diferente em grandes escalas e que a teoria da relatividade geral precise de ser ajustada.

O estudo também descobriu que é muito difícil resolver o problema da tensão de Hubble mudando apenas a teoria da gravidade. A solução completa provavelmente exigiria um novo ingrediente no modelo cosmológico, presente antes do momento em que protões e eletrões combinaram-se pela primeira vez para formar hidrogénio logo após o Big Bang, como uma forma especial de matéria escura, um tipo primitivo de energia escura ou campos magnéticos primordiais. Ou, talvez, haja um erro sistemático ainda desconhecido nos dados.

Dito isto, o estudo demonstrou que é possível testar a validade da relatividade geral sobre distâncias cosmológicas usando dados observacionais. Embora ainda não se tenha resolvido o problema do Hubble, teremos muito mais dados de novas sondas daqui a alguns anos.

Isso significa que poderemos usar esses métodos estatísticos para continuar a aprimorar a relatividade geral, explorando os limites das modificações, para pavimentar o caminho para resolver alguns dos desafios abertos na cosmologia.