Universo acelerado sem energia escura?

Há cerca de 10 anos, resultados baseados nas observações de estrelas que chegavam ao final da vida mostraram que o universo não só estava se expandindo, mas fazia isso de modo acelerado. Foi uma descoberta classificada como revolucionária. Esses resultados levaram boa parte dos cosmólogos a admitir que cerca de 70% do universo eram formados pela chamada energia escura, cuja natureza ainda é desconhecida. De lá para cá, muita pesquisa foi feita sobre o assunto.

Agora, dois pesquisadores norte-americanos apresentam um modelo de universo acelerado que dispensa a existência dessa misteriosa forma de energia. Os resultados foram publicados na Proceedings of the National Academy of Sciences.

Universo acelerado sem energia escura? (foto: Nasa)

A observação de que o universo está em expansão, feita pelo astrônomo norte-americano Edwin Hubble (1889-1953), em 1929, é considerada um dos principais marcos da história do pensamento humano. Esse resultado trouxe a cosmologia para o campo das ciências físicas: estavam confirmadas as surpreendentes previsões teóricas do cosmólogo russo Alexander Friedmann (1888-1925) realizadas sete anos antes, baseadas na teoria da relatividade geral, do físico de origem alemã Albert Einstein (1879-1955). Nelas, Friedmann sugeria a expansão do espaço tridimensional cosmológico, que carregaria consigo todas as galáxias nele inseridas – algo que espantou o próprio Einstein.

Hubble mediu também a velocidade com que o espaço se expandia. Desde então, as medidas dessa expansão foram sendo refinadas, e esperava-se que pudéssemos não só obter sua velocidade com maior precisão, mas também sua aceleração. O quadro na mente de todos os cosmólogos era o de um universo se expandindo devido à ocorrência de uma grande explosão no passado, mas que estivesse desacelerando devido à atração gravitacional existente entre os constituintes do universo: afinal, em nossa experiência cotidiana, percebemos que a força gravitacional entre a matéria usual é sempre atrativa.

Para medir essa aceleração (ou desaceleração, como se esperava), precisava-se medir o afastamento de galáxias muito mais distantes (e, portanto, mais afastadas no tempo, pois a luz que elas nos emitem demora mais para nos alcançar). Isso foi obtido por meio da observação, nessas galáxias, da ocorrência de supernovas (explosão altamente luminosa de estrelas bastante massivas no estágio final de sua evolução). O resultado dessa medida foi altamente surpreendente e primeiramente divulgado em 1998: o universo está se acelerando e não desacelerando!

A primeira explicação proposta para esse resultado foi sugerir a existência de um tipo de energia – dominante no universo atual e totalmente diferente daquela que estamos acostumados a observar – que exerceria uma força gravitacional repulsiva, causando essa aceleração. Como não podemos enxergar essa energia, deu-se a ela o nome de energia escura. Vários candidatos a energia escura foram propostos: constante cosmológica, quintessência, campo fantômico etc. Nenhum deles com motivação teórica convincente.

A seguir, pensou-se que a relatividade geral clássica estaria errada nas escalas de distância em que essa aceleração se observa. Foram, então, propostos vários tipos de generalização dessa teoria; a existência de dimensões espaciais, além das três que observamos; efeitos quânticos em larga escala etc. Essas modificações também parecem arbitrárias e, portanto, ainda pouco convincentes.

Finalmente, pensou-se em uma explicação mais conservadora, mas nem por isso menos desafiadora. Na verdade, não haveria problema algum com a relatividade geral, nem existiria energia escura. O problema estaria em assumir que o complexo universo no qual vivemos hoje possa ser representado, mesmo em largas escalas, por um modelo tão simples como o que Friedmann propôs: i) com uma distribuição homogênea de massa; ii) com as mesmas propriedades em todas as direções (ou, dito mais tecnicamente, isotrópico).

Devemos, então, procurar soluções mais elaboradas e complexas das equações da relatividade geral que levem em conta o fato de o universo não ser homogêneo hoje. É nessa linha de raciocínio que Blake Temple, da Universidade da Califórnia, e Joel Smoller, da Universidade de Michigan, também nos Estados Unidos, propuseram um conjunto de soluções das equações da relatividade geral que contém a solução de Friedmann como um caso particular – ou seja, a de um universo homogêneo e isotrópico. Os desdobramentos desses cálculos levaram a termos matemáticos suplementares nas equações propostas por Friedmann que induzem uma aparente aceleração do universo, sem a necessidade de nenhuma energia escura.

O trabalho de Temple e Smoller ocorre paralelamente a outras tentativas de investigar e explicar a aceleração do universo. Esse tipo de linha de investigação é recente e envolve um aprofundamento do estudo de certos aspectos das equações da relatividade geral até então pouco explorados, devido à grande complexidade matemática deles e à consequente dificuldade de aplicá-los à cosmologia.

Qual dessas abordagens poderá responder satisfatoriamente à questão levantada pela surpreendente observação de 1998?

Por enquanto, a hipótese mais investigada e aceita é a da existência da energia escura, pois indicações de sua existência aparecem indiretamente em dados observacionais relativos à radiação cósmica de fundo (um ‘eco’ do universo primordial) ou à evolução de estruturas no universo (galáxias, aglomerados de galáxias etc.).

A nova linha de investigação para a qual contribuiu o trabalho de Temple e Smoller vem atraindo vários cosmólogos, entre outras coisas por uma razão simples: sabe-se que o tempo que o universo levou para se acelerar não é muito diferente daquele que ele levou para formar suas grandes estruturas. E essa coincidência de escalas temporais, denominada coincidência cósmica, não aparece naturalmente nos modelos de universo em que a aceleração é explicada com base na energia escura. Entretanto, na linha de investigação de Temple e Smoller, essas escalas temporais são próximas, porque os novos termos matemáticos propostos – os que induzem a aceleração do universo – aparecem justamente por causa do surgimento dessas grandes estruturas: a coincidência cósmica estaria então naturalmente explicada.

Mas é preciso lembrar que abordagens como a de Temple e Smoller terão necessariamente que explicar dados observacionais relativos à radiação de fundo e à evolução de estruturas no universo. Ou seja, teoria e observação terão que coincidir.

De qualquer forma, o mistério envolvendo a observação de 1998 só poderá ser resolvido com muito trabalho teórico, para obter novas previsões, e com boa dose de esforço observacional, para testá-las, como o que será feito no projeto Dark Energy Survey, do qual participa o Instituto de Cosmologia, Relatividade e Astrofísica, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas.

Nelson Pinto Neto
Instituto de Cosmologia, Relatividade e Astrofísica,
Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (RJ)

 

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