Pergunte a Ethan: A forma do nosso universo poderia ser fechada em vez de plana?
Em um modelo hipertoro do Universo, o movimento em linha reta o levará de volta à sua localização original, mesmo em um espaço-tempo não curvo (plano). O Universo também poderia ser fechado e curvado positivamente: como uma hiperesfera. Uma nova análise desafiou nosso pensamento convencional sobre um Universo plano, mas ele se mantém sob escrutínio? (USUÁRIO ESO E DEVIANTART INTHESTARLIGHTGARDEN)
A forma do nosso Universo tem sido reconhecida como plana. Mas essa não é a única possibilidade.
O Universo está se expandindo e vai mais longe do que nossos telescópios mais poderosos podem ver. A parte dela que podemos ver, os cientistas concluíram há muito tempo, é indistinguível de ser perfeitamente espacialmente plana. Pelo menos, essa tem sido a sabedoria convencional por um longo tempo. Mas há algumas semanas, um novo papel ( versão completa e gratuita aqui ) usou os dados mais recentes do satélite Planck para tirar a conclusão oposta: talvez o Universo não seja plano, mas curvo com uma geometria particular e fechada. Isso é possível? Muitos perguntaram, inclusive Tom Ensalata, que quer saber:
Eu pensei que o parâmetro de curvatura tinha sido essencialmente estabelecido pelo WMAP, Planck e outras medidas astronômicas. Estou curioso para saber o que você pensa sobre a validade deste artigo recente. O Universo está realmente fechado com uma curvatura positiva detectável, como sugerem os autores do artigo da Nature Astronomy? Se o Universo é esférico, qual seria o tamanho da esfera de acordo com suas medidas?
Há muito o que descompactar aqui, então vamos começar do início: com a ideia de curvatura espacial em si.
Se você fizesse um experimento simples, como jogar vários pauzinhos em uma superfície plana, provavelmente faria pelo menos um triângulo. Os ângulos internos de qualquer triângulo que você fez sempre somam 180 graus, mas isso é apenas porque você está em um espaço plano e não curvo, com pauzinhos planos e não curvos. (SIAN ZELBO / 1001 PROBLEMAS DE MATEMÁTICA)
O espaço plano é o que estamos acostumados a trabalhar. Desenhe um triângulo em uma folha de papel e você pode ter certeza de vários fatos sobre ele, incluindo que a soma de seus três ângulos internos sempre somará 180 graus . Não importa se é um triângulo retângulo, isoceles ou escaleno; em virtude de ter três lados e existir em um plano plano bidimensional, seus ângulos internos sempre somarão esse mesmo valor.
O Triângulo Hiperbólico, que é um triângulo desenhado na superfície de qualquer plano de curvatura negativa, sempre terá seus três ângulos internos somando menos de 180 graus. (LUCASVB DO WIKIMEDIA COMMONS)
A menos, é claro, que seu plano bidimensional não seja plano. Se você cortar uma seção triangular de seu papel e prendê-la novamente, descobrirá que o triângulo que você desenhou agora conteria mais de 180 graus; você teria criado uma superfície de curvatura positiva. Insira esse triângulo em outra folha plana de papel e você cria uma superfície de curvatura negativa; qualquer triângulo que você desenhar conterá menos de 180 graus.
Enquanto um plano bidimensional pode ser plano, ele também pode ser curvo, tanto positivamente (como uma esfera, onde os ângulos de um triângulo são maiores que 180 graus) ou negativamente (como uma sela, onde os ângulos de um triângulo são menores que 180 graus) . Isso se aplica não apenas a duas superfícies bidimensionais que possamos imaginar, mas também a espaços de dimensões superiores.
Os ângulos de um triângulo somam diferentes quantidades dependendo da curvatura espacial presente. Um Universo positivamente curvado (superior), negativamente curvado (meio) ou plano (inferior) terá os ângulos internos de um triângulo somando mais, menos ou exatamente igual a 180 graus, respectivamente. (EQUIPE DE CIÊNCIAS DA NASA / WMAP)
Quando consideramos todo o nosso Universo, temos três dimensões espaciais, mas novamente elas podem ter qualquer tipo de curvatura: positiva, negativa ou plana. Um Universo positivamente curvo pode ser de natureza esférica, mas ainda se expandir ou contrair à medida que o Universo evolui.
De fato, se o Universo fosse feito apenas de matéria (em vez de também ter radiação e energia escura), se um Universo é curvado positivamente, plano ou negativamente determina se o Universo é fechado (e irá recair), crítico (na fronteira entre o colapso e a expansão para sempre), ou aberto (destinado a se expandir para sempre).
Se o Universo tivesse apenas uma densidade de matéria ligeiramente maior (vermelho), ele estaria fechado e já teria colapsado; se tivesse apenas uma densidade um pouco menor (e curvatura negativa), teria se expandido muito mais rápido e se tornado muito maior. O Big Bang, por si só, não oferece nenhuma explicação sobre por que a taxa de expansão inicial no momento do nascimento do Universo equilibra a densidade total de energia tão perfeitamente, não deixando espaço para curvatura espacial e um Universo perfeitamente plano. Nosso Universo parece perfeitamente plano espacialmente, com a densidade de energia total inicial e a taxa de expansão inicial se equilibrando em pelo menos mais de 20 dígitos significativos. (TUTORIAL DE COSMOLOGIA DE NED WRIGHT)
A razão para isso é simples: o Universo, como o conhecemos, é aproximadamente (nas maiores escalas) preenchido com a mesma quantidade de coisas, não importa onde você vá. Em todos os locais e em todas as direções, a matéria, a radiação e a energia no Universo são as mesmas. Na linguagem da matemática, o Universo é isotrópico (o mesmo em todas as direções) e homogêneo (o mesmo em todos os lugares). Quando aplicamos essas propriedades à Relatividade Geral, obtemos um conjunto único e poderoso de equações que define como o Universo evoluirá ao longo do tempo.
Por um lado, obtemos como a escala do Universo muda com o tempo: uma taxa de expansão ou contração. Por outro lado, temos todas as diferentes formas de matéria e energia no Universo. E, se houver alguma incompatibilidade, o saldo restante vai para a curvatura espacial, produzindo um Universo plano se e somente se a taxa de expansão e a densidade geral de energia corresponderem com precisão.
Uma foto minha na hiperparede da American Astronomical Society em 2017, junto com a primeira equação de Friedmann à direita. A primeira equação de Friedmann detalha a taxa de expansão do Hubble ao quadrado no lado esquerdo, que governa a evolução do espaço-tempo. O lado direito inclui todas as diferentes formas de matéria e energia, juntamente com a curvatura espacial (no termo final), que determina como o Universo evolui no futuro. Esta tem sido chamada de equação mais importante em toda a cosmologia, e foi derivada por Friedmann essencialmente em sua forma moderna em 1922. (PERIMETER INSTITUTE / HARLEY THRONSON)
A partir do momento em que o Universo em expansão foi derivado pela primeira vez, sabia-se que, se o Universo não era perfeitamente plano, pelo menos era próximo. Um Universo que fosse muito curvado, positiva ou negativamente, ou entraria em colapso quase imediatamente ou se expandiria para o esquecimento tão rapidamente que a formação de estrelas ou galáxias seria impossível. Mas não havia nada exigindo que o Universo precisasse ser exatamente plano; dependeria de medições para nos dar essa informação.
Como se viu, nossas primeiras medições robustas vieram como cortesia do Cosmic Microwave Background. No final da década de 1990, a experimento BOOMERanG foi inovador a este respeito, determinando que o Universo era pelo menos muito próximo de espacialmente plano. A maneira como o fez foi direta, simples, direta e extremamente convincente.
As regiões superdensas, médias e subdensas que existiam quando o Universo tinha apenas 380.000 anos agora correspondem a pontos frios, médios e quentes na CMB, que por sua vez foram gerados pela inflação. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)
O fundo de microondas cósmico, você vê, é o brilho remanescente do Big Bang. Embora, à primeira vista, pareça ser um uniforme de 2,725 K em todas as direções, um exame mais detalhado revela que existem imperfeições em torno do nível de ~ 100 microkelvin. Essas imperfeições não são porque o Universo é fundamentalmente mais quente ou mais frio em uma direção do que na outra, mas porque existem imperfeições de densidade que existem em todo o Universo.
Onde você tem uma região superdensa (com mais matéria do que a média), a luz terá mais dificuldade em sair desse poço de potencial gravitacional e, portanto, perderá mais energia do que a média e parecerá mais fria. Da mesma forma, é mais fácil que a média para a luz escapar de uma região subdensa, e esses pontos parecem mais quentes que a média. Observando as escalas angulares dessas flutuações de temperatura, podemos reconstruir a geometria do Universo.
A luz do fundo cósmico de micro-ondas e o padrão de flutuações dele nos dão uma maneira de medir a curvatura do Universo. Para o melhor de nossas medições, dentro de 1 parte em cerca de 400, o Universo é perfeitamente plano espacialmente. (GRUPO DE COSMOLOGIA SMOOT / LAWRENCE BERKELEY LABS)
Os resultados do BOOMERanG foram espetaculares, indicando um Universo plano, e isso só melhorou à medida que nossas medições do Fundo Cósmico de Microondas melhoraram. O WMAP nos ensinou que o Universo era plano para cerca de 10% e, com o Planck, isso melhorou para cerca de 2%. Combinado com os dados de supernovas e estrutura em grande escala, ficou claro que um Universo plano era a melhor opção de todas.
Restrições no conteúdo total de matéria (normal + escuro, eixo x) e densidade de energia escura (eixo y) de três fontes independentes: supernovas, CMB (fundo de microondas cósmico) e BAO (que é uma característica ondulada vista nas correlações de grande estrutura). Observe que, mesmo sem supernovas, precisaríamos de energia escura com certeza, e também que existem incertezas e degenerações entre a quantidade de matéria escura e energia escura que precisaríamos para descrever com precisão nosso Universo. No entanto, apesar das excelentes restrições da CMB, não se segue necessariamente que o Universo deva ser absolutamente plano; alguma quantidade de curvatura ainda é permitida. (PROJETO DE COSMOLOGIA SUPERNOVA, AMANULLAH, ET AL., AP.J. (2010))
No entanto, seria injusto dizer que o Fundo Cósmico de Microondas demonstrou que o Universo era inequivocamente plano, uma vez que os padrões de flutuações de temperatura que ele revelou tinham várias soluções possíveis. O Universo pode estar se expandindo um pouco mais rápido ou mais devagar às custas do ajuste de alguns dos parâmetros; um Universo ligeiramente fechado (e superdenso) ou aberto (e subdenso) ainda era permitido. Há espaço de manobra apenas com o CMB.
Quatro cosmologias diferentes levam aos mesmos padrões de flutuação no CMB, mas uma verificação cruzada independente pode medir com precisão um desses parâmetros de forma independente, quebrando a degeneração. Ao medir um único parâmetro de forma independente (como H_0), podemos restringir melhor o que o Universo em que vivemos tem para suas propriedades de composição fundamentais. (MELCHIORRI, A. & GRIFFITHS, L.M., 2001, NEWAR, 45, 321)
Dentro a nova análise que questiona os resultados da CMB , os autores argumentam que não é o espectro de potência de temperatura (as oscilações, acima, que você vê que relacionam a magnitude das flutuações médias de temperatura a uma escala angular específica) que favorece um Universo fechado, mas sim um sinal extraído diferente: o aumento de uma amplitude de lente maior do que o esperado.
Lente gravitacional é um efeito cumulativo de ter matéria entre seu ponto de observação e a fonte que você está medindo: neste caso, o próprio Fundo de Microondas Cósmica. A identificação de um sinal de lente mais forte do que o esperado, uma possível interpretação dos dados do Planck, sugere que há mais densidade de matéria do que o esperado anteriormente. Se houver mais matéria do que outros indicadores sugerem, talvez isso signifique que o Universo é fechado e superdenso, e há uma pequena quantidade de curvatura espacial (positiva).
Este mapa 3D da distribuição da matéria escura no cosmos foi construído usando lentes gravitacionais: o efeito de toda a massa entre nós e uma fonte de luz distante. Ao extrair o sinal de lente (e amplitude) do fundo cósmico de microondas, uma equipe de cientistas afirmou favorecer um Universo positivamente curvo (fechado), em vez do Universo plano sugerido por Planck.
Os autores observam - importante, mas controversamente - que várias outras anomalias podem se encaixar perfeitamente nisso. Um Universo fechado e superdenso poderia explicar por que as flutuações de temperatura nas maiores escalas angulares (correspondentes a escalas de aproximadamente 30 milhões de anos-luz) são menores do que o esperado. Além disso, alterar a curvatura e o conteúdo de energia do Universo altera o valor preferido da constante de Hubble.
Dado que o Fundo de Microondas Cósmica prefere um valor de cerca de 67 km/s/Mpc, enquanto os métodos de escada de distância preferem 73 km/s/Mpc , é razoável esperar que brincar com essa margem de manobra extra possa ajudar a resolver um grande número de problemas. Quando os autores executam sua análise, eles descobrem que o melhor ajuste para todos os dados envolve um Universo ligeiramente superdenso com curvatura positiva no nível de 4,4%, alcançando uma significância estatística de cerca de 3 sigma favorecendo esse valor.
Enquanto os dados normais de flutuação de temperatura do Planck (azul) favorecem um Universo plano (onde o eixo x lê 0), a assinatura de lente presente no CMB favorece um Universo fechado (onde o valor do eixo x é menor que 0) por volta da nível de 4,4%, com significância ligeiramente superior a 3 sigma. (DI VALENTINO, E., MELCHIORRI, A. & SILK, J. NAT ASTRON (2019) DOI:10.1038/S41550–019–0906–9)
Infelizmente, é aí que termina a boa notícia para essa interpretação alternativa. Se você fizer essas alterações em seu modelo cosmológico, a tensão na constante de Hubble fica muito pior, pois adicionar mais matéria e fechar o Universo força você a valores ainda mais baixos - ouso dizer absurdamente baixos - da constante de Hubble: valores no meio. anos 50.
Além disso, as melhores restrições à curvatura espacial não vêm mais de experimentos de fundo de micro-ondas cósmico, mas de uma fonte diferente: medições de oscilações acústicas de bárions. Ao mapear a estrutura em grande escala do Universo e determinar como as galáxias se aglomeram, se agrupam e se correlacionam em grandes escalas, conseguimos restringir a curvatura do Universo a uma precisão de ~ 0,4%. Quando usamos esses dados, descobrimos que o Universo é perfeitamente plano espacialmente e que uma curvatura de ~ 4,4% é descartada com significância superior a 10 sigma, algo que os próprios autores reconhecem.
A reconstrução 3D de 120.000 galáxias e suas propriedades de agrupamento, inferidas de seu desvio para o vermelho e formação de estruturas em grande escala. Os dados dessas pesquisas nos permitem realizar uma série de análises excelentes e detalhadas e nos permitem determinar que o Universo é espacialmente plano dentro de 0,4%, uma restrição muito maior do que a CMB fornece e que discorda dessa nova e marginal resultado em torno de 10 sigma significância. (JEREMY TINKER E A COLABORAÇÃO SDSS-III)
Na ciência, é sempre divertido brincar com explicações e interpretações alternativas de seus dados, principalmente quando há algumas facetas que você não pode explicar com o modelo convencional mais comum. No entanto, adicionar um pouco de matéria extra e um pouco de curvatura extra, por mais atraente que possa ser como uma solução potencial para alguns quebra-cabeças cosmológicos, desmorona drasticamente após uma inspeção minuciosa. A taxa de expansão do Universo e as propriedades de agrupamento de galáxias estão erradas para um Universo fechado: catastroficamente.
A ideia de que o Universo pode não ser perfeitamente plano espacialmente é algo que devemos sempre ter em mente quando fazemos nossa análise, mas que não devemos levar a sério a menos que seja compatível com o conjunto completo de evidências cosmológicas. Esta nova análise apresenta uma tensão interessante de uma maneira nova, mas um Universo fechado e superdenso não pode ser a solução. Como costuma acontecer, essa solução simples para um fenômeno inexplicável cria muito mais problemas do que resolve.
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Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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