Por mais de um século, os cientistas sabem que o universo vem se expandindo desde o big bang , o evento primordial que deu início a tudo há cerca de bilhões de anos .
Mas até agora, eles não foram capazes de resolver um problema complicado. Quão rápido ele está se expandindo? Isso porque há uma disparidade entre a taxa estimada com base na radiação que sobrou do big bang, conhecido como fundo de micro-ondas cósmico, ou CMB no jargão científico, e o ritmo significativamente mais rápido com base em observações de supernovas. A taxa de expansão do universo é conhecida como Constante de Hubble, portanto, a disparidade é chamada de "Tensão de Hubble".
Os cientistas acreditam que a expansão contínua do universo foi impulsionada por uma força chamada energia escura, que parece ter começado a reverter a desaceleração do universo 7 ou 8 bilhões de anos após o big bang.
O que é energia escura?
"A energia escura é uma fonte hipotética de energia no universo hoje que, de acordo com nosso melhor entendimento do universo, compreende aproximadamente 70 por cento da energia total do universo", explica Glenn Starkman , um distinto professor universitário e co-presidente do departamento de física da Case Western Reserve University.
"A evidência primária de sua existência é a expansão acelerada do universo que parece ter ocorrido nos últimos bilhões de anos", diz Starkman. "Para conduzir tal expansão requer uma fonte de energia que não se torna mais diluída (ou dilui muito pouco) à medida que o universo se expande. Isso desqualifica a maioria das fontes de energia - por exemplo, matéria comum ou escura, ambas as quais se tornam menos denso conforme o universo fica maior. O modelo mais simples de energia escura é que é a densidade de energia imutável associada ao espaço vazio. Como tal, se o espaço se expandir, a densidade da energia escura permaneceria constante. "
Mas, há muitas coisas inexplicáveis sobre a energia escura, incluindo por que ela não existiu o tempo todo. E mesmo a inclusão da energia escura no modelo padrão não resolve a disparidade entre as duas medidas de expansão cósmica.
E a energia escura inicial?
Mas dois novos estudos ainda não publicados, ambos baseados em dados coletados entre 2013 e 2016 pelo Atacama Cosmology Telescope (ACT) , podem ajudar a apontar uma possível solução para um problema. Os pesquisadores acreditam que encontraram traços de um tipo de energia escura "inicial" que existia nos primeiros 300.000 anos após o big bang. Este artigo recente de Davide Castelvecchi na Nature publicou pela primeira vez os dois artigos, um da equipe ACT e outro de um grupo independente que incluía Vivian Poulin , astrofísica da Universidade de Montpellier, na França, e colegas Tristian L. Smith e Alexa Bartlett do Swarthmore College.
A ideia da energia escura inicial foi proposta inicialmente há alguns anos por Poulin, então um pós-doutorado na Universidade Johns Hopkins, Smith e colegas, como uma forma de resolver a questão.
“A energia escura inicial é uma proposta para outra forma de energia escura, ou seja, não obviamente relacionada à energia escura que causa a expansão acelerada de hoje”, explica Starkman. EDE "teria desempenhado um papel importante no universo há muito tempo, quando o universo era cerca de 10.000 vezes menor e mais quente do que é atualmente." É um conceito, diz ele, que "foi criado para resolver certas divergências misteriosas sobre a história da taxa de expansão do universo".
Como explica o artigo da Nature, a energia escura inicial não teria sido forte o suficiente para causar a expansão acelerada do universo bilhões de anos depois. Em vez disso, teria influenciado indiretamente, fazendo com que a mistura de partículas elementares, ou plasma , formada logo após o big bang, esfriasse mais rapidamente. Isso, por sua vez, afetaria como o fundo de microondas cósmico deveria ser medido - especialmente medições da idade e taxa de expansão do universo com base em quão longe as ondas sonoras poderiam viajar no plasma antes de se resfriar em gás - e resultaria em um processo mais rápido taxa de expansão mais próxima do que os astrônomos calculam com base em objetos celestes.
A energia escura inicial é uma solução teórica complicada, mas "é o único modelo que podemos fazer funcionar", como explicou à Nature o físico teórico da Universidade Johns Hopkins, Mark Kamionkowski , um dos autores do artigo sobre a energia escura inicial de 2018.
A conclusão não é clara
Os dois estudos podem ajudar a apoiar o caso da energia escura inicial, mas um dos pesquisadores envolvidos diz que ainda não está totalmente convencido e adverte que mais trabalho é necessário para chegar a uma conclusão clara.
"Tenho sido cético sobre os primeiros modelos de energia escura devido aos problemas que eles enfrentam ao combinar medições de alta precisão da distribuição em grande escala de galáxias e matéria no universo ('estrutura em grande escala', ou LSS)," Columbia University O professor assistente de física J. Colin Hill , co-autor do estudo da equipe ACT, anotou em um e-mail. (O questionamento de Hill sobre o conceito é refletido neste artigo que ele foi coautor em 2020, e em um artigo posterior também, e ele também menciona outro artigo de outros pesquisadores que levanta complicações semelhantes.)
"A conclusão dos três artigos vinculados acima é que os primeiros modelos de energia escura que se ajustam aos dados CMB e os dados Riess, et al., H0 produzem previsões para LSS que não correspondem aos dados dessas pesquisas", escreve Hill no o email. "Assim, concluímos que um modelo teórico diferente é provavelmente necessário, ou pelo menos alguma modificação do cenário da energia escura inicial."
No novo estudo que Hill e os colegas do ACT acabaram de postar, eles não consideraram os dados do LSS na análise e, em vez disso, se concentraram quase exclusivamente nos dados do CMB. "O objetivo era realmente ver se os dados do Planck e do ACT CMB deram resultados consistentes no contexto inicial da energia escura. Descobrimos que eles fornecem resultados um tanto diferentes, o que é um grande enigma que agora estamos trabalhando arduamente para tentar entender. perspectiva, o problema LSS para o cenário de energia escura inicial permanece sem solução. "
"Além disso, os dados do Planck por si próprios (que permanecem os conjuntos de dados mais precisos em cosmologia) não mostram uma preferência pela energia escura inicial", explica Hill. "Assim, apesar das dicas que vimos nos dados do ACT para a energia escura inicial, continuo cauteloso sobre se este modelo pode realmente ser a história final. Precisamos de mais dados para descobrir."
Se existisse, a energia escura inicial teria sido semelhante à força que se acredita estar impulsionando a taxa atual de expansão do universo. Mas ainda exigiria um repensar significativo do modelo teórico.
"A principal diferença é que esta energia escura inicial deve desempenhar um papel apenas por um breve período na história cósmica e, então, deve 'desaparecer'", diz Hill. "Para conseguir isso, construímos modelos de física de partículas de um novo campo (tecnicamente, um campo semelhante a um axio) que atua para acelerar brevemente a expansão do universo antes da recombinação, mas depois desaparece rapidamente e se torna irrelevante."
"Em contraste, o quadro atual da energia escura padrão é que ela é simplesmente uma constante cosmológica, provavelmente originada da energia do vácuo", continua Hill. "Esta forma de energia não muda com o tempo. É possível, no entanto, que a energia escura padrão possa ser devido a algum novo campo fundamental que ainda não entendemos. Neste caso, pode muito bem estar evoluindo com o tempo, e poderia, portanto, ter alguma semelhança com o modelo inicial de energia escura discutido acima. "
“Mais uma vez, precisaremos de mais dados para investigar essas questões com mais precisão e, com sorte, encontrar as respostas na próxima década”, diz Hill. "Felizmente, muitos experimentos poderosos estarão online em breve." Ele menciona instalações como o Observatório Simons , que vai estudar o CMB, bem como o Observatório Rubin e os telescópios espaciais Euclides e Romanos , que vão reunir novas informações sobre o LSS. “Deve ser muito emocionante ver o que encontramos”, diz ele.
Aqui está um vídeo do YouTube no qual Hill discute a energia escura inicial:
Starkman diz que é importante ter cuidado com tais alegações "extraordinárias", a menos que as evidências sejam claras e convincentes. Como ele aponta, há evidências contra o EDE também. "Os resultados atuais mostram tensões crescentes entre dois conjuntos de dados experimentais de observação da radiação cósmica de fundo - do satélite Planck da Agência Espacial Europeiaque voou no início da última década, e do atual Atacama Cosmology Telescope. O primeiro parece não apoiar a ideia da energia escura inicial, enquanto o último agora o faz. Essas tensões entre experimentos são comuns e frustrantes. É tentador dizer que mais dados do ACT resolverão a questão, mas simplesmente sobrecarregar os dados completos do Planck com mais dados do ACT não explicará por que os dados do Planck não favorecem o EDE. A tensão parece exigir uma compreensão revisada de um desses experimentos, a fim de fornecer um caso claro de uma forma ou de outra. "
Wendy Freedman , professora de astronomia e astrofísica da Universidade de Chicago que trabalhou na medição da expansão cósmica, acha importante buscar vários modelos alternativos.
O modelo Lambda Cold Dark Matter (LCDM)
"Atualmente, temos um modelo padrão de cosmologia, o chamado modelo de matéria escura fria lambda (LCDM)", explica Freedman, o autor deste artigo , publicado em 17 de setembro de 2021, na Constante de Hubble no The Astrophysical Journal, em um email. "Nesse modelo, cerca de 1/3 da densidade total de matéria + energia é devido à matéria (a maior parte da qual é matéria escura) e 2/3 é devido a um componente da energia escura."
“No entanto, no momento, não sabemos a natureza da matéria escura ou da energia escura,” Freedman continua. "Ainda assim, o LCDM fornece um ajuste extremamente bom para uma ampla gama de diferentes experimentos e observações. Dado nosso estado de conhecimento, é claramente importante testar o modelo padrão. A aparente discrepância atual entre o valor da constante de Hubble inferida do CMB medições e algumas medições locais podem estar sinalizando uma nova física. É por isso que digo que é importante investigar outros modelos além do lambda CDM. "
Mas Freedman acrescenta uma advertência importante: "Alternativamente, pode haver algum erro sistemático ainda desconhecido que seja responsável pela aparente discrepância. Portanto, também é importante reduzir as incertezas nas atuais medições da constante de Hubble."
Agora isso é interessante
Se a energia escura primitiva acabou por ter existido, figurá-la na estimativa da idade do universo resultaria no cosmos sendo 1,4 bilhão de anos mais jovem do que a estimativa atual de 13,8 bilhões de anos.
