Estamos entendendo algo errado sobre o universo.
Pode ser algo pequeno: um problema de medição que faz com que certas estrelas pareçam mais próximas ou mais distantes do que elas são, algo que os astrofísicos poderiam corrigir com alguns ajustes na maneira como medem as distâncias no espaço. Pode ser algo grande: um erro - ou uma série de erros - em cosmologia, ou nossa compreensão da origem e evolução do universo. Se for esse o caso, toda a nossa história de espaço e tempo pode ser confusa. Mas, seja qual for o problema, está fazendo com que as principais observações do universo discordem entre si: medido de uma maneira, o universo parece estar se expandindo a um certo ritmo; medido de outra maneira, o universo parece estar se expandindo a uma taxa diferente. E, como mostra um novo artigo, essas discrepâncias aumentaram nos últimos anos, mesmo com as medidas ficando mais precisas.
"Acreditamos que, se nosso entendimento da cosmologia estiver correto, todas essas diferentes medidas deverão nos dar a mesma resposta", disse Katie Mack, cosmóloga teórica da Universidade Estadual da Carolina do Norte (NCSU) e coautora do novo artigo. .
As duas medidas mais famosas funcionam de maneira muito diferente uma da outra. O primeiro baseia-se no Cosmic Microwave Background (CMB): a radiação de microondas restante desde os primeiros momentos após o Big Bang. Os cosmólogos construíram modelos teóricos de toda a história do universo em uma base da CMB - modelos nos quais eles confiam muito, e isso exigiria uma física totalmente nova para ser quebrada. E, juntos, Mack disse, eles produzem um número razoavelmente preciso para a constante Hubble, ou H0, que governa a rapidez com que o universo está se expandindo atualmente.
A segunda medição usa supernovas e estrelas brilhantes em galáxias próximas, conhecidas como Cefeidas. Ao avaliar a distância entre as galáxias e a velocidade com que estão se afastando de nós, os astrônomos obtiveram o que acreditam ser uma medida muito precisa da constante de Hubble. E esse método oferece um H0 diferente.
"Se estamos recebendo respostas diferentes, isso significa que há algo que não sabemos", disse Mack à Live Science. "Portanto, trata-se realmente não apenas de entender a atual taxa de expansão do universo - que é algo em que estamos interessados - mas de entender como o universo evoluiu, como a expansão evoluiu e o que o espaço-tempo tem feito tudo isso. Tempo."
Weikang Lin, também cosmólogo da NCSU e principal autor do artigo, disse que, para desenvolver uma imagem completa do problema, a equipe decidiu reunir todas as diferentes maneiras de "restringir" o H0 em um só lugar. O documento ainda não foi formalmente revisado ou publicado por pares e está disponível no servidor de pré-impressão arXiv.
Eis o que "restrição" significa: medições em física raramente apresentam respostas exatas. Em vez disso, eles colocam limites no leque de respostas possíveis. E, analisando essas restrições em conjunto, você pode aprender muito sobre algo que está estudando. Olhando através de um telescópio, por exemplo, você pode aprender que um ponto de luz no espaço é vermelho, amarelo ou laranja. Outro pode dizer que é mais brilhante que a maioria das outras luzes no espaço, mas menos brilhante que o sol. Outro pode dizer que está se movendo pelo céu com a rapidez de um planeta. Nenhuma dessas restrições lhe diria muito por conta própria, mas juntas sugerem que você está olhando para Marte.
Lin, Mack e seu terceiro co-autor, estudante de graduação da NCSU, Liqiang Hou, analisaram as restrições em duas constantes: H0, e algo chamado "fração de massa" do universo, denotado como Ωm, o que indica quanto do universo é energia e quanto é matéria. Muitas medidas de H0 também limitam Ωm, disse Lin, por isso é útil analisá-las juntas.
Isso produziu esse enredo colorido:
O oval magenta esticado rotulado como WMAP é a faixa de possíveis frações de massa e constantes do Hubble, que costumava ser possível com base em um importante estudo anterior da NASA sobre o CMB, conhecido como Sonda de Anisotropia por Microondas de Wilkinson. A coluna amarela denominada CV SN (abreviação de "Supernovas Tipo Ia Calibradas por Cefeidas") refere-se às medições Cefeidas-Supernovas, que não restringem a fração de massa do universo, mas restringem H0. A barra vermelha rotulada SN P (abreviação de "Type-Ia Supernovae Pantheon") é uma grande restrição na fração de massa do universo.
Você pode ver que as bordas do WMAP e do CV SN se sobrepõem, principalmente fora da barra vermelha. Essa foi a imagem da discrepância de alguns anos atrás, disse Mack: Significativo o suficiente para se preocupar que as duas medidas apresentem respostas diferentes, mas não tão significativas que as tornem incompatíveis com um pouco de ajustes.
Mas, nos últimos anos, houve uma nova medição do CMB de um grupo chamado Planck Collaboration. A Colaboração Planck, que lançou seu último conjunto de dados em 2018, impôs restrições muito rígidas à fração de massa e à taxa de expansão do universo, denotadas pela tira preta no gráfico chamado Planck.
Agora, os autores escreveram, duas imagens muito diferentes do universo emergem. Planck e WMAP - junto com uma série de outras abordagens para restringir H0 e Ωm - são todos mais ou menos compatíveis. Há um lugar na trama, no círculo de traços brancos, onde todos permitem respostas semelhantes para a rapidez com que o universo está se expandindo e quanto é feito de matéria. Você pode ver que quase todas as formas no gráfico passam por esse círculo.
Mas a medida mais direta, baseada no estudo de quão longe as coisas estão em nosso universo local e a rapidez com que estão se movendo, não concorda. A medição da Cefeida está bem à direita, e nem mesmo suas barras de erro (os pequenos bits amarelos, denotando a faixa de valores prováveis) passam pelo círculo tracejado. E isso é um problema.
"Houve muita atividade nessa área apenas nos últimos meses", disse Risa Wechsler, cosmóloga da Universidade de Stanford que não esteve envolvida neste artigo. "Portanto, é muito bom ver tudo resumido. Enquadrá-lo em termos de H0 e Ωm, que são parâmetros fundamentais, é realmente esclarecedor."
Ainda assim, Wechsler disse à Live Science, é importante não tirar conclusões precipitadas.
"As pessoas estão empolgadas com isso porque isso pode significar que há nova física, e isso seria realmente emocionante", disse ela.
É possível que o modelo CMB esteja errado de alguma forma, e isso está levando a algum tipo de erro sistemático na forma como os físicos estão entendendo o universo.
"Todo mundo adoraria isso. Os físicos adoram quebrar seus modelos", disse Wechsler. "Mas esse modelo funciona muito bem até agora, então o meu anterior é que deve haver evidências bastante fortes para me convencer".
O estudo mostra que seria difícil combinar a medição cefeida do universo local com todas as outras, introduzindo apenas uma nova peça de física, disse Mack.
É possível, disse Mack, que o cálculo das supernovas-cefeidas esteja errado. Talvez os físicos estejam medindo erradamente as distâncias no nosso universo local, e isso está levando a um erro de cálculo. É difícil imaginar o que esse erro de cálculo seria, ela disse. Muitos astrofísicos mediram distâncias locais a partir do zero e obtiveram resultados semelhantes. Uma possibilidade levantada pelos autores é que vivemos em uma parte estranha do universo, onde há menos galáxias e menos gravidade, de modo que nossa vizinhança está se expandindo mais rapidamente que o universo como um todo.
A resposta para o problema, ela disse, pode estar ao virar da esquina. Mas é mais provável que esteja daqui a anos ou décadas.
"Ou é algo novo no universo ou é algo que não entendemos sobre nossas medidas", disse ela.
Wechsler disse que apostaria no último - que provavelmente há algo errado nas barras de erro em torno de algumas das medidas envolvidas, e que, uma vez resolvidas, a imagem se encaixará melhor.
As próximas medições podem esclarecer a contradição - seja explicando-a ou aumentando-a, sugerindo que um novo campo da física é necessário. O Large Telescópio de Pesquisa Sinóptica, programado para entrar em operação em 2020, deve encontrar centenas de milhões de supernovas, o que deve melhorar muito os conjuntos de dados que os astrofísicos estão usando para medir distâncias entre galáxias. Eventualmente, disse Mack, os estudos de ondas gravitacionais serão bons o suficiente para restringir a expansão do universo, o que deve adicionar outro nível de precisão à cosmologia. No futuro, ela disse, os físicos podem até desenvolver instrumentos sensíveis o suficiente para assistir a objetos se expandirem em tempo real.
Mas, por enquanto, os cosmólogos ainda estão esperando e se perguntando por que suas medidas do universo não fazem sentido juntas.
