Existe realmente uma constante cosmológica? Ou a energia escura está mudando com o tempo?
A história do Universo conta a história de uma corrida entre a gravitação e a expansão, até cerca de seis bilhões de anos atrás, quando a energia escura se torna importante. Crédito da imagem: NASA/GSFC.
Constante? Não-constante? Ou há uma falha fundamental na maneira como fazemos negócios?
Este artigo foi escrito por Sabine Hossenfelder. Sabine é uma física teórica especializada em gravidade quântica e física de alta energia. Ela também escreve freelance sobre ciência.
Se você está intrigado com o que é a energia escura, você está em boa companhia.
– Saul Perlmutter
De acordo com a física, o universo e tudo nele podem ser explicados por apenas um punhado de equações. São equações difíceis, tudo bem, mas sua característica mais simples é também a mais misteriosa. As equações contêm algumas dúzias de parâmetros que são – pelo que sabemos atualmente – imutáveis, e ainda assim esses números determinam tudo sobre o mundo em que habitamos. Os físicos gastaram muito poder intelectual questionando de onde vêm esses números, se eles poderiam ter tomado outros valores além dos que observamos, e se a exploração de sua origem está mesmo dentro do domínio da ciência.
Uma das principais questões quando se trata desses parâmetros é se eles são realmente constantes ou se são dependentes do tempo. Se eles variam, então sua dependência do tempo teria que ser determinada por outra equação, o que mudaria toda a história que atualmente contamos sobre nosso Universo. Se mesmo uma das constantes fundamentais não for realmente uma constante, abriria a porta para um subcampo inteiramente novo da física.
Representativa da energia inerente ao próprio espaço, acredita-se que a constante cosmológica (ou energia escura) surja da energia do ponto zero do espaço vazio. Supõe-se que seja uma constante, mas isso não é necessariamente verdade. Crédito da imagem: SLAC National Accelerator Laboratory.
Talvez o parâmetro mais conhecido de todos seja a constante cosmológica: a energia do ponto zero do próprio espaço vazio. É o que faz com que a expansão do universo acelere. A constante cosmológica é geralmente assumida como sendo, bem, uma constante. Se não for, pode ser mais geralmente referido como 'energia escura'. Se nossas teorias atuais para o cosmos estiverem corretas, nosso universo se expandirá para sempre em um futuro frio e escuro.
O valor da constante cosmológica é infamemente a pior previsão já feita usando a teoria quântica de campos; a matemática diz que deve ser 120 ordens de magnitude maior do que o que observamos. Mas que a constante cosmológica tem um valor pequeno e diferente de zero que faz com que o Universo acelere é extremamente bem estabelecido pela medição. As evidências são tão robustas que um Prêmio Nobel foi concedido por sua descoberta em 2011.
A construção da escada de distância cósmica envolve ir do nosso Sistema Solar às estrelas, às galáxias próximas e às distantes. Cada passo traz consigo suas próprias incertezas; a etapa da supernova Tipo Ia é a que resultou no Prêmio Nobel de 2011.
Exatamente qual é o valor da constante cosmológica, porém, é controverso. Existem diferentes maneiras de medir a constante cosmológica, e os físicos sabem há alguns anos que as diferentes medições dão resultados diferentes. Essa tensão nos dados é difícil de explicar e até agora permaneceu sem solução.
Uma maneira de determinar a constante cosmológica é usando o fundo cósmico de microondas (CMB). As pequenas flutuações de temperatura entre diferentes locais e escalas na CMB codificam variações de densidade no universo inicial e as mudanças subsequentes na radiação que flui desses locais. Ao ajustar o espectro de potência da CMB com os parâmetros que determinam a expansão do universo, os físicos obtêm um valor para a constante cosmológica. A mais precisa de todas essas medições são atualmente os dados do satélite Planck.
Três tipos diferentes de medições, estrelas e galáxias distantes, a estrutura em grande escala do Universo e as flutuações na CMB, nos contam a história da expansão do Universo.
Outra maneira de determinar a constante cosmológica é deduzir a expansão do universo a partir do desvio para o vermelho da luz de fontes distantes. Foi assim que os vencedores do Prêmio Nobel fizeram suas descobertas originais no final da década de 1990, e a precisão desse método foi aprimorada desde então. Além disso, agora existem várias maneiras de fazer essa medição, onde os resultados estão todos em concordância geral entre si.
Mas essas duas maneiras de determinar a constante cosmológica dar resultados que diferem com uma significância estatística de 3,4-σ . Essa é uma probabilidade de menos de um em mil ser devido a flutuações aleatórias de dados, mas reconhecidamente não forte o suficiente para descartar variações estatísticas. Desde então, várias explicações para isso foram propostas. Uma possibilidade é que seja um erro sistemático na medição, provavelmente na medição CMB da missão Planck. Há razões para ser cético, porque a tensão desaparece quando as estruturas mais finas (os grandes momentos multipolares) dos dados são omitidas. Além disso, subtrações incorretas em primeiro plano podem continuar distorcendo os dados, como fizeram no infame anúncio do BICEP2. Para muitos astrofísicos, esses são indicadores de que algo está errado com a medição do Planck ou com a análise de dados.
Uma maneira de medir a história de expansão do Universo envolve voltar até a primeira luz que podemos ver, quando o Universo tinha apenas 380.000 anos. As outras formas não retrocedem tanto, mas também têm menor potencial de serem contaminadas por erros sistemáticos. Crédito da imagem: Observatório Europeu do Sul.
Mas talvez seja um efeito real, afinal. Neste caso, várias modificações do modelo cosmológico padrão foram apresentadas. Eles variam de neutrinos adicionais a gravitons massivos e mudanças reais e genuínas na constante cosmológica.
A ideia de que a constante cosmológica muda de um lugar para outro não é uma opção atraente porque isso tende a estragar muito o espectro da CMB. Mas atualmente, a explicação mais popular para a tensão de dados na literatura parece ser uma constante cosmológica variável no tempo.
As diferentes maneiras pelas quais a energia escura pode evoluir para o futuro. Supõe-se que permanecerá constante, mas se aumentar em força (em um Big Rip) ou reverter o sinal (levando a um Big Crunch), outros destinos são possíveis.
Um grupo de pesquisadores da Espanha, por exemplo, afirma ter um impressionante 4.1-σ preferência por uma constante cosmológica dependente do tempo sobre um realmente constante. Esta afirmação parece ter sido amplamente ignorada e, de fato, deve-se ser cauteloso. Eles testam uma dependência de tempo muito específica, e sua análise estatística não leva em conta outras parametrizações que podem ser tentadas. (A variante do viés pós-seleção do físico teórico.) Além disso, eles ajustam seu modelo não apenas aos dois conjuntos de dados mencionados acima, mas a um monte de outros ao mesmo tempo. Isso torna difícil dizer por que seu modelo parece funcionar melhor. Alguns cosmólogos a quem perguntei sobre esse resultado notável e por que ele foi ignorado reclamaram que o método de análise de dados do grupo espanhol não é transparente.
Qualquer configuração de pontos de luz de fundo - estrelas, galáxias ou aglomerados - será distorcida devido aos efeitos da massa de primeiro plano por meio de lentes gravitacionais fracas. Mesmo com ruído de forma aleatória, a assinatura é inconfundível.
Seja como for, justamente quando guardei o jornal dos espanhóis, vi outro jornal que apoiava sua afirmação com um estudo totalmente independente baseado em lentes gravitacionais fracas. Lente gravitacional fraca acontece quando uma galáxia em primeiro plano distorce as formas da imagem de galáxias de fundo mais distantes. O qualificador 'fraco' diferencia esse efeito da lente forte, que é causada por objetos próximos massivos - como buracos negros - e deforma fontes pontuais em arcos, anéis e várias imagens. A lente gravitacional fraca, por outro lado, não é tão facilmente reconhecível e deve ser inferida a partir da distribuição estatística das elipticidades das galáxias.
O Kilo Degree Survey (KiDS) reuniu e analisou dados de lentes fracas de cerca de 15 milhões de galáxias distantes. Embora suas medidas não sejam sensíveis à expansão do universo, elas são sensíveis à densidade da energia escura, que afeta a maneira como a luz viaja das galáxias em direção a nós. Essa densidade é codificada em um parâmetro cosmológico chamado σ_8, que mede a amplitude do espectro de potência da matéria em escalas de 8 Mpc/ h , Onde h está relacionado com a taxa de expansão do Hubble. Seus dados também está em conflito com os dados CMB do satélite Planck .
A sobreposição no canto inferior esquerdo representa a distorção das imagens de fundo devido à lente gravitacional esperada dos “haloes” da matéria escura das galáxias em primeiro plano, indicadas por elipses vermelhas. Os bastões de polarização azuis indicam a distorção. Esta reconstrução é responsável tanto por cisalhamento quanto por lentes fracas no campo Hubble Deep.
Os membros da colaboração KiDS tentaram quais mudanças no modelo cosmológico padrão funcionam melhor para aliviar a tensão nos dados. Curiosamente, verifica-se que antes de todas as explicações, aquela que funciona melhor tem a constante cosmológica mudando com o tempo. A mudança é tal que os efeitos da expansão acelerada estão se tornando mais pronunciados, não menos.
Em resumo, parece cada vez mais improvável que a tensão nos dados cosmológicos se deva ao acaso. Os cosmólogos são justificadamente cautelosos, e a maioria deles aposta em um problema sistemático com os dados do Planck ou, alternativamente, com a calibração da escada de distância cósmica. No entanto, se essas medições receberem confirmação independente, a próxima melhor aposta é na energia escura dependente do tempo. Isso não tornará nosso futuro mais brilhante, no entanto. Mesmo que a energia escura mude com o tempo, todas as indicações apontam para que o universo continue a se expandir, para sempre, na escuridão fria.
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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