Novo estudo desafia a expansão do universo, mas permanece pouco convincente

Esta imagem mostra um mapa do céu completo e os aglomerados de raios-X identificados para medir a expansão do Universo de forma dependente da direção, juntamente com quatro aglomerados de raios-X em detalhes fotografados pelo observatório de raios-X Chandra da NASA. Embora os resultados sugiram que a expansão do Universo pode não ser isotrópica, ou a mesma em todas as direções, os dados estão longe de ser claros. (NASA/CXC/UNIV. DE BONN/K. MIGKAS ET AL.)



Tamanho de amostra pequeno? Nenhuma teoria subjacente? Conflitos com todos os outros resultados? Ele verifica todas as caixas.


Não há nada de especial, em escala cósmica, sobre nosso lugar no Universo. Não apenas as leis da física são as mesmas em todos os lugares que olhamos, mas o próprio Universo tem as mesmas propriedades de grande escala em todos os lugares. Em todas as direções e em todos os locais, o número de galáxias, a quantidade de aglomerados, a taxa de expansão cósmica e toda uma série de outras propriedades mensuráveis ​​são virtualmente idênticas. Nas maiores escalas, o Universo realmente parece ser o mesmo em todos os lugares.

Mas existem muitas maneiras diferentes e independentes de testar a ideia de que o Universo é o mesmo em todas as direções: o que os astrofísicos chamam de isotropia. Dentro um novo estudo na edição de abril de 2020 da Astronomy & Astrophysics , uma nova técnica, análise e conjunto de dados são todos aplicados a esse quebra-cabeça, e os autores afirmam que a taxa de expansão do Universo é diferente dependendo da direção que olhamos. É um resultado interessante se for verdade, mas há muitas razões para ser cético. Aqui está o porquê.



As flutuações quânticas que ocorrem durante a inflação se estendem por todo o Universo e, quando a inflação termina, elas se tornam flutuações de densidade. Isso leva, ao longo do tempo, à estrutura em grande escala do Universo hoje, bem como às flutuações de temperatura observadas na CMB. O crescimento da estrutura dessas flutuações de sementes e suas impressões no espectro de potência do Universo e os diferenciais de temperatura da CMB podem ser usados ​​para determinar várias propriedades sobre o nosso Universo. (E. SIEGEL, COM IMAGENS DERIVADAS DA ESA/PLANCK E DA FORÇA-TAREFA INTERAGÊNCIA DO DOE/NASA/NSF NA PESQUISA CMB)

Há uma teoria abrangente que não apenas governa o Universo, mas fornece a estrutura para entender o que deveria existir nas maiores escalas: o Big Bang quente inflacionário. Este afirma, em poucas palavras, que:

  • houve um período de inflação cósmica que ocorreu antes do Big Bang,
  • fornecendo as flutuações de sementes das quais toda a nossa estrutura cósmica cresceria,
  • e então a inflação terminou, levando ao Big Bang quente e a um Universo rico em matéria e radiação,
  • que era uniforme, em todos os lugares, para cerca de 1 parte em 30.000,
  • que então se expandiu, esfriou e gravitou,
  • levando à vasta e expansiva teia cósmica que observamos hoje.

No geral, isso significa que em escalas maiores, o Universo deve ser isotrópico (o mesmo em todas as direções) e homogêneo (o mesmo em todos os locais), mas em escalas menores, as variações locais devem começar a dominar.



Uma fatia bidimensional das regiões superdensa (vermelho) e subdensa (azul/preto) do Universo próximo a nós. As linhas e setas ilustram a direção dos fluxos de velocidade peculiares, que são os empurrões e puxões gravitacionais nas galáxias ao nosso redor. No entanto, todos esses movimentos estão embutidos no tecido do espaço em expansão, então um desvio para o vermelho ou desvio para o azul medido/observado é a combinação da expansão do espaço e o movimento de um objeto distante e observado. (COSMOGRAFIA DO UNIVERSO LOCAL — COURTOIS, HELENE M. ET AL. ASTRON.J. 146 (2013) 69)

Essas variações locais são definitivamente reais. Quando observamos como as galáxias se movem pelo Universo, descobrimos que elas obedecem à expansão padrão do Hubble em média, particularmente em distâncias muito grandes: onde a rapidez com que cada galáxia parece recuar é diretamente proporcional à distância da galáxia. Mas cada galáxia também tem uma velocidade peculiar, sobreposta à expansão geral, que pode causar movimentos adicionais de até alguns milhares de quilômetros por segundo: 1 a 2% da velocidade da luz.

Vemos isso em todos os lugares que olhamos, desde os movimentos de galáxias individuais em pequenas escalas até os movimentos de fluxo de aglomerados de galáxias em escalas intermediárias até o movimento de nosso próprio grupo local. Mas o mais importante (e com a mais alta precisão), vemos nosso próprio movimento em relação ao Fundo Cósmico de Microondas, que deve ser perfeitamente isotrópico, até o efeito de nosso próprio movimento através do espaço.

O brilho restante do Big Bang é 3,36 milikelvin mais quente em uma direção (o vermelho) do que a média, e 3,36 milikelvin mais frio no (azul) do que a média. Isso se deve ao nosso movimento total através do espaço em relação ao quadro de repouso do Fundo de Microondas Cósmica, que é cerca de 0,1% da velocidade da luz em uma direção específica. (DELABROUILLE, J. ET AL.ASTRON.ASTROPHYS. 553 (2013) A96)



Seria uma tremenda surpresa se o Universo não fosse isotrópico em grandes escalas, principalmente se sua anisotropia estivesse acima de uma certa amplitude. Mas não podemos simplesmente pegar um ou dois conjuntos de observações (como o Fundo de Microondas Cósmica e a estrutura em larga escala da teia cósmica) e declarar que o Universo é isotrópico. Devemos medir o Universo de todas as maneiras possíveis em um esforço para determinar quais níveis de anisotropias existem em todas as escalas.

Mas isso exige que o façamos de forma precisa, abrangente e inequívoca. Uma calibração ruim, uma suposição não testada ou não verificada ou qualquer número de erros sistemáticos podem levar você a concluir que encontrou uma anisotropia onde não existia anteriormente. O novo estudo em questão , promovido pelo Observatório de Raios-X Chandra da NASA , é sugestivo de uma anisotropia em larga escala, mas não chega ao nível de uma descoberta convincente.

Este gráfico parece extremamente atraente, ilustrando uma região do céu com uma constante de Hubble significativamente menor do que a direção oposta. Mas as suposições que foram usadas para obter esse gráfico não são as que os astrofísicos estão procurando. (UNIVERSIDADE DE BONN/K. MIGKAS ET AL.; ARXIV:2004.03305)

A maneira como o novo estudo funcionou é que eles pegaram um grande número de aglomerados de raios X – grandes aglomerados de galáxias que emitem grandes quantidades de raios X – e aplicaram o que é conhecido como correlação empírica. Uma correlação empírica é quando vemos que duas coisas distintas que podemos medir ou calcular sobre um objeto parecem estar relacionadas, mas não entendemos fisicamente por que estão relacionadas.

Neste caso, eles usaram uma correlação entre o brilho intrínseco da luz de raios-X (ou seja, luminosidade) e a temperatura observada dos raios-X. Esta é uma correlação relativamente nova e parece ser relativamente boa em todas as temperaturas, apesar da grande dispersão. No entanto, como você pode ver no gráfico abaixo (retirado do papel), há um aspecto preocupante imediatamente. A correlação em si parece diferente dependendo de qual observatório está realmente medindo os raios-X.



Se os dados são do telescópio de raios-X Chandra da NASA ou do observatório XMM-Newton da ESA parece alterar a correlação entre luminosidade e temperatura. Isso deve ser pelo menos uma bandeira amarela para quem procura aplicar essa correlação universalmente. Observe a diferença nos parâmetros derivados no gráfico inferior. (UNIVERSIDADE DE BONN/K. MIGKAS ET AL.; ARXIV:2004.03305)

Sempre que você tiver uma correlação empírica, também é importante garantir que ela não seja sensível a outros parâmetros: parâmetros que podem fazer com que essa correlação varie. Claro, há uma relação entre luminosidade e temperatura, mas você obtém a mesma correlação se observar aglomerados de raios X com diferentes massas, diferentes dispersões de velocidade, diferentes quantidades de elementos pesados, etc.?

Essas são perguntas importantes a serem feitas, porque a resposta deve ser não para cada uma delas. Mas, como os autores demonstram claramente, você obtém enormes diferenças nos parâmetros que sustentam essa correlação se observar os aglomerados de raios-X com diferentes quantidades de elementos pesados: o que os astrônomos chamam de metalicidade. Em um mundo ideal, uma correlação empírica seria idêntica independentemente da variação desses parâmetros. Mas, claramente, não é esse o caso.

Diferentes faixas de metalicidade (baixa, média e alta) levam a correlações muito diferentes entre luminosidade e temperatura dos raios X, sugerindo que essa correlação não é universal. (UNIVERSIDADE DE BONN/K. MIGKAS ET AL.; ARXIV:2004.03305)

Isso não é necessariamente um fator decisivo, mas são razões muito válidas e convincentes para ser cauteloso. Se vamos assumir que essa relação é universalmente válida e que podemos usá-la como uma sondagem da cosmologia subjacente, temos que reconhecer que estaremos procurando por efeitos muito sutis. Afinal, não estamos apenas tentando calcular a média de todo o céu e de todos os aglomerados de raios X que encontramos, mas estamos procurando pequenas diferenças entre uma direção e outra.

Qualquer diferença que exista entre essas populações que estamos encontrando em uma região do céu e em outra região do céu pode influenciar nossos resultados, principalmente se estivermos assumindo uma relação única e universal entre nossas duas quantidades (luminosidade e temperatura). Os autores deste artigo observam que os vieses precisam ser estudados (e mostram que pelo menos alguns estão presentes), mas depois usam uma única relação universal ao realizar sua análise. Se esses aglomerados de raios X não obedecerem a essa relação inferida da maneira como os autores a propõem, essa linha de pensamento é inválida.

Aqui, quatro dos aglomerados de galáxias fotografados pelo telescópio de raios-X Chandra mostram a emissão de raios-X, que corresponde a aproximadamente 10% da massa total do aglomerado: uma quantidade enorme e quase toda a matéria normal, não escura esperado estar presente. (NASA/CXC/UNIV. DE BONN/K. MIGKAS ET AL.)

Outro problema de usar aglomerados de galáxias é que eles são objetos muito grandes, e não há muitos deles em um determinado volume do Universo. Embora este estudo tenha alguns bilhões de anos-luz, maior do que a maioria dos estudos semelhantes que procuram investigar a anisotropia cósmica, ele consiste apenas em algumas centenas de aglomerados de galáxias. Isso não é culpa de ninguém; isso está no limite do que nossa instrumentação e tecnologia atuais podem medir.

O que eles descobrem é que a taxa de expansão geral parece ser maior em um local específico do céu, mostrado em cores claras (abaixo), do que em uma região oposta do céu, mostrada na mesma imagem em cores escuras. Os autores também observam que este é um efeito relativamente sutil, não alcançando o padrão ouro de 5 sigma necessário para descoberta, e que se você tentar excluir qualquer um dos dados devido a preocupações sobre sua confiabilidade, o resultado será menos e menos significativo.

Duas regiões diferentes do céu, se você observar os aglomerados de raios-X e aplicar a correlação empírica luminosidade/temperatura, parecem fornecer valores preferenciais diferentes para a taxa de expansão do Hubble. Isso pode ser um efeito real, mas mais dados são necessários com certeza. (UNIVERSIDADE DE BONN/K. MIGKAS ET AL.; ARXIV:2004.03305)

Finalmente, o último resultado que eles apresentam é usando todos os clusters de raios-X em todos os conjuntos de dados, mesmo aqueles não fotografados pelo Chandra ou XMM-Newton, que necessariamente incorporam dados muito menos confiáveis. Eles mostram que o efeito persiste e até se intensifica, que é o que você poderia esperar se fosse um efeito real. Mas isso também é o que você esperaria se houvesse um erro, um viés ou uma amostra aplicada ou calibrada incorretamente.

Esta deve ser uma grande preocupação. Recentemente, tem havido todos os tipos de afirmações grandiosas de que a cosmologia está em crise, mas a maioria delas desmorona mesmo em um escrutínio superficial exatamente por esse motivo. As alegações de que a energia escura não existe dependiam de calibrações incorretas de nosso movimento pelo Universo; alegações de que a constante de estrutura fina variava com o tempo ou com o espaço foram refutadas por uma análise melhorada; alega que os redshifts do quasar são anisotrópicos desmoronou quando os dados do Sloan Digital Sky Survey chegaram.

A maior amostra possível de aglomerados de raios-X mostra o maior efeito de uma anisotropia cósmica, mas simplesmente não há dados suficientes, nem os dados são de alta qualidade o suficiente para concluir que o Universo é realmente anisotrópico. (UNIVERSIDADE DE BONN/K. MIGKAS ET AL.; ARXIV:2004.03305)

A maior preocupação deve ser que algo esteja influenciando esses dados antes que eles cheguem aos olhos de nossos telescópios. Em particular, elementos pesados ​​ao longo da linha de visão de qualquer aglomerado de galáxias diminuirão o sinal de raios-X que observamos. Os autores explicam isso medindo a densidade do gás hidrogênio ao longo da linha de visão e, em seguida, inferindo a quantidade de elementos pesados ​​que deveriam estar lá para modelar os efeitos. É uma abordagem razoável, embora essa inferência não seja fácil de fazer com muita precisão.

Mas eles não parecem modelar outro efeito que deve afetar a quantidade de raios X que observamos: poeira em primeiro plano. A poeira absorve os raios X, é encontrada onde o gás hidrogênio neutro não está e definitivamente não é distribuída uniformemente no céu. Se a poeira for modelada incorretamente – ou pior, de forma alguma – eles podem estar chegando a conclusões incorretas sobre a expansão do Universo por causa de seus efeitos na luz incidente.

O primeiro mapa do céu completo lançado pela colaboração do Planck revela algumas fontes extragalácticas com o fundo cósmico de micro-ondas além dele, mas é dominado pelas emissões de micro-ondas em primeiro plano da matéria da nossa própria galáxia: principalmente na forma de poeira. (COLABORAÇÃO PLANCK / ESA, HFI E LFI CONSORTIUM)

É eminentemente possível – e tremendamente interessante e até revolucionário se for verdade – que nossas suposições sobre a magnitude e a escala das anisotropias no Universo sejam falhas. Se assim for, serão os dados sobre a estrutura em grande escala do Universo, indo muito além do nosso canto local do espaço, que o demonstrarão. Aglomerados de raios-X, como os discutidos e analisados ​​aqui, podem ser o primeiro teste robusto que o descobre, se for o caso. Mas este novo estudo é apenas uma pista nessa direção, com muitas objeções razoáveis. O tamanho da amostra é pequeno. A correlação utilizada é nova e sua universalidade é duvidosa. Os efeitos de primeiro plano não são suficientemente modelados. E os dados em si poderiam ser muito melhores.

Embora os autores considerem os próximos dados eROSITA como o próximo passo nesse caminho, eles devem estar olhando mais longe. Um observatório de raios-X verdadeiramente de última geração, como o Athena da ESA ou o Lynx da NASA, é a ferramenta realmente necessária para reunir os dados decisivos, juntamente com pesquisas ópticas profundas e de grande campo complementares que esperamos do Euclid da ESA, do WFIRST da NASA, e o LSST do Observatório Vera Rubin. A expansão do Universo pode não ser a mesma em todas as direções, mas será preciso muito mais do que este estudo para provar isso.


Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium com um atraso de 7 dias. 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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