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Alguns cientistas falam de uma “crise na cosmologia”. Eles têm um bom motivo

• Assim como os átomos são os blocos de construção da química, as galáxias são os blocos de construção da cosmologia.
• O modelo padrão da cosmologia oferece aos astrônomos uma maneira de vincular as distâncias observadas aos objetos com sua idade.
• No entanto, novas imagens do Telescópio Espacial James Webb encontraram galáxias muito mais distantes (e, portanto, muito mais antigas) do que o modelo padrão de cosmologia prevê. Os novos dados fornecem evidências convincentes de que o modelo pode precisar ser atualizado.

Este artigo é o quarto de uma série que explora as contradições no modelo padrão da cosmologia.

Os cosmólogos amam as galáxias mais do que qualquer outro corpo celeste. Estrelas e planetas são importantes para problemas como a formação da vida, claro, mas na cosmologia, as galáxias são os blocos de construção. Cada galáxia é uma coleção de bilhões de estrelas, em sua maioria independentes e ligadas gravitacionalmente, e os cosmólogos podem usá-las para rastrear a evolução do próprio espaço-tempo cósmico. A primeira grande descoberta cosmológica, a revelação de Hubble do Universo em expansão, foi realizada usando galáxias. Dada esta importância, o recente gota de novas imagens do Telescópio Espacial James Webb desencadeou uma espécie de crise no campo . As imagens mostram galáxias se formando muito antes do que nossos melhores modelos de cosmologia prevêem.

A história que o modelo padrão da cosmologia conta

Bem-vindo a mais uma parcela de nossa série explorando emergente e desafios potencialmente sérios ao modelo padrão de cosmologia - a melhor e mais ampla compreensão científica do Universo pela humanidade. Em um artigo recente, o astrofísico Fulvio Melia articulou uma lista de problemas que, para ele, indicam que algo fundamental está errado com o modelo padrão. Melia não está sozinha em se perguntar se o tempo do modelo padrão pode ter acabado. A frase ' crise na cosmologia ” está encontrando seu caminho em um número crescente de blogs e podcasts. Mas o que está por trás dessa crise e com que seriedade devemos levá-la?

Hoje vamos dar uma olhada em outra entrada na lista de Melia, que ganhou uma boa parte das manchetes: o problema das galáxias e o que é chamado de relação idade-redshift .

A história da cosmologia que nos foi dada pelo modelo padrão diz que cerca de 400.000 anos após o Big Bang, elétrons e prótons se encontraram para criar os primeiros átomos de hidrogênio. Antes disso, eles corriam soltos junto com os fótons que logo se tornariam o radiação cósmica de fundo em micro-ondas . Uma vez que essa recombinação em hidrogênio ocorre, o Universo é amplamente composto de um gás razoavelmente liso desses átomos – com algum hélio ao redor também – e a radiação de fundo restante.

Agora a gravidade pode começar a trabalhar dentro das perturbações – pequenas regiões de superdensidade no gás hidrogênio – e colapsá-las lentamente para formar as primeiras estrelas. É dentro dessas primeiras estrelas, formadas apenas por hidrogênio e hélio, que a fusão nuclear começa a forjar todos os elementos pesados ​​que conhecemos hoje. Elementos como carbono e nitrogênio desempenham um papel importante na história da formação de galáxias. Isso ocorre porque esses são os elementos que podem absorver calor do gás circundante e emitir fótons que resfriam esse gás. Este processo de resfriamento será crítico para ajudar o gás a coalescer em galáxias.

Eventualmente, essas estrelas de primeira geração explodem e as supernovas resultantes semeiam o gás que as cerca com elementos pesados. Cada supernova, junto com os buracos negros que também estão se formando, bombeia radiação ultravioleta para o Universo. Isso retira os elétrons dos átomos de hidrogênio, tornando o Universo cada vez mais transparente à radiação ultravioleta. Depois que o Universo passou por algumas gerações de estrelas, há elementos pesados ​​e radiação ultravioleta suficientes para alimentar a formação de galáxias. Estrelas e grandes quantidades de gás colapsam em entidades ligadas gravitacionalmente para reunir essas primeiras galáxias.

Esta é uma boa história, e as observações confirmam partes-chave dela. O problema surge quando é colocado dentro do contexto cosmológico do Universo em expansão.

O modelo padrão da cosmologia oferece aos astrônomos uma maneira de vincular as distâncias observadas aos objetos (expressas em redshift ) com sua idade em relação ao Big Bang (expressa em anos). As distâncias são medidas pela observação e não podem ser modificadas. A idade, por outro lado, vem de uma história teórica. Pegamos nossos modelos de um Universo em expansão, guiados pela relatividade geral de Einstein, e despejamos neles nossa compreensão da matéria, expressa no modelo padrão da física de partículas. Juntos, eles nos dizem como uma distância, ou um desvio para o vermelho, se correlaciona com uma idade , um tempo desde o Big Bang.

Uma crise na cosmologia

Então qual é o problema? Assim que o JWST foi ativado, ele encontrou galáxias em desvios para o vermelho e, portanto, idades, muito mais atrás do que o modelo padrão de cosmologia prevê. (O Telescópio Espacial Hubble encontrou indícios disso antes do JWST.)

Aqui está como o problema se desenrola. Com essas imagens, estamos olhando muito, muito longe. Visto que olhar para uma determinada distância significa olhar para trás no tempo, também estamos olhando muito, muito para trás no tempo. Mas o Universo teve um começo chamado Big Bang. A relação idade-redshift, que vem do modelo padrão, nos diz como converter uma distância observada em um tempo após o Big Bang. Mas parece haver uma incompatibilidade entre a idade dessas primeiras galáxias e há quanto tempo a relação idade-desvio para o vermelho nos diz que elas devem ter se formado. Galáxias bem formadas estão aparecendo muito cedo para que a história que contamos acima se desenrole completamente.

O modelo de cosmologia do Big Bang nos mostra um Universo que está evoluindo em vez de estático e eternamente imutável. Não está em questão de forma séria. (Veja o lindo texto de Marcelo Gleiser Series sobre a história da cosmologia.) O que esses novos resultados do JWST lançam em questão é a história sobre essa evolução que o modelo padrão da cosmologia nos conta. Isso é o que Melia diz que precisa de uma grande atualização, e os novos dados certamente fornecem uma pista convincente de que algo pode estar errado. A verdadeira questão que enfrentamos é quanta atualização é necessária.

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