Estamos muito abaixo da média! Astrônomos dizem que a Via Láctea reside em um grande vazio cósmico
Delineadas em azul claro, coleções gigantes de galáxias podem ser divididas em superaglomerados. Mas nosso superaglomerado, junto com muitos outros próximos, ainda pode residir em um vazio cósmico ainda maior. Crédito da imagem: R. Brent Tully, Hélène Courtois, Yehuda Hoffman & Daniel Pomarède, Nature 513, 71–73 (04 de setembro de 2014).
O que pensamos como nossa região média do Universo pode não ser a média.
Não importa qual técnica você use, você deve obter o mesmo valor para a taxa de expansão do universo hoje. – Ben Hoscheit
Se você fosse dar nosso endereço cósmico, poderia dizer a alguém que vivíamos no planeta Terra, orbitando nosso Sol, nos arredores de um esporão dos braços espirais da Via Láctea, na segunda maior galáxia do nosso grupo local, cerca de 50 milhões anos-luz do Aglomerado de Virgem, embutido no superaglomerado Laniakea. Bem, você pode ter que adicionar outra linha a esse endereço, já que Laniakia, juntamente com dezenas de outros aglomerados gigantes próximos, está inserido em um grande vazio cósmico que se estende por um bilhão de anos-luz de ponta a ponta. Essa região abaixo da média do espaço é consistente com tudo o que observamos, apoiada por novas observações apresentadas na reunião da American Astronomical Society desta semana, e pode fornecer a solução para uma das maiores discrepâncias do Universo.
A estrutura simulada em grande escala do Universo mostra padrões intrincados de agrupamento que nunca se repetem. Mas da nossa perspectiva, podemos ver apenas um volume finito do Universo, que parece uniforme nas maiores escalas. Crédito da imagem: V. Springel et al., MPA Garching, and the Millenium Simulation.
Nas maiores escalas, o Universo é uniforme, com quantidades iguais de matéria e energia em todos os lugares. Se você desenhasse uma esfera imaginária com alguns bilhões de anos-luz de largura em torno de qualquer ponto e medisse a quantidade total de massa no interior, obteria o mesmo número em todos os lugares, com cerca de 99,99% de precisão. Mas se sua esfera fosse menor, você veria que começaria a obter números diferentes em locais diferentes. A gravitação puxa a matéria para filamentos, grupos e aglomerados de galáxias e rouba a matéria de regiões menos densas, criando grandes vazios cósmicos.
Um mapa do universo local conforme observado pelo Sloan Digital Sky Survey. As áreas laranja têm densidades mais altas de aglomerados e filamentos de galáxias. Crédito da imagem: Sloan Digital Sky Survey.
Hoje, a matéria no Universo é distribuída como uma combinação de teia de aranha e queijo suíço. Os buracos no Universo são estupendos, com alguns se estendendo por dezenas de milhões de anos-luz antes de você encontrar qualquer galáxia. Por outro lado, há lugares onde os filamentos se cruzam – um grande nexo na teia cósmica – que correspondem às localizações e existências de aglomerados de galáxias ultragrandes, alguns dos quais contêm milhares de vezes a massa de nossa galáxia.
O Universo contém muitas regiões superdensas e subdensas de tamanhos variados, mas parece suave se você diminuir o zoom o suficiente. Crédito da imagem: Andrew Z. Colvin do Wikimedia Commons.
Mas entre as escalas onde há grandes diferenças de densidade e aquelas onde a média de densidade é sempre o mesmo número, algo interessante está acontecendo. Em escalas que variam de cerca de meio bilhão a três bilhões de anos-luz de diâmetro, você pode descobrir que duas regiões diferentes que parecem muito semelhantes na superfície – contendo vazios e aglomerados, filamentos alinhados com galáxias, vários buracos de queijo suíço, etc. realmente diferem em suas densidades gerais em cerca de 20% ou mais. Sem fazer um levantamento muito grande e detalhado de um conjunto muito grande de regiões do Universo (por exemplo, indo muito além de bilhões de anos-luz), você não teria como saber com certeza se viveu em uma ou não.
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; também seria tendencioso para valores mais altos ou mais baixos se vivêssemos em uma região subdensa ou superdensa. Crédito da imagem: NASA, ESA, A. Feild (STScI) e A. Riess (STScI/JHU).
Mas haveria uma dica. Se você vivesse em uma região superdensa, mesmo que se parecesse muito com uma região média em todos os outros aspectos, descobriria que haveria uma coisa que parecia estranha: o Universo em expansão. Como você tinha mais matéria do que a média onde estava, as galáxias próximas gravitariam mutuamente com mais força, e a taxa de expansão do Universo pareceria mais lenta para você. Se você olhasse para escalas muito grandes e distantes, a taxa de expansão pareceria normal novamente, mas exatamente onde você está, você a mediria abaixo da média. Qualquer técnica que dependesse apenas de medições próximas – coisas como paralaxe, cefeidas ou até mesmo a maioria das supernovas – daria esse resultado distorcido.
Tensões de medição modernas da escada de distância (vermelho) com dados CMB (verde) e BAO (azul).
Por outro lado, se você vivesse em uma região subdensa, sua vizinhança local do espaço gravitaria menos fortemente do que a média, e a taxa de expansão pareceria maior (mais alta) para você. Temos notado esse problema exato em nossas medições há alguns anos: se tentarmos medir a taxa de expansão usando essas técnicas de escada de distância cósmica, descobrimos que o Universo se expande cerca de 5 a 10% mais rapidamente do que outros métodos indicam. Se usarmos dados da radiação cósmica de fundo em micro-ondas ou do agrupamento em grande escala do Universo, obtemos um valor para a taxa de expansão do Hubble de 67–68 km/s/Mpc, enquanto galáxias relativamente próximas mostram uma taxa mais próxima de 72–75 km/s/Mpc.
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. Crédito da imagem: NASA/ESA Hubble (superior L), SDSS (top R), ESA e Planck Collaboration (inferior).
De acordo com uma pesquisa realizada pela equipe de Amy Barger na Universidade de Wisconsin-Madison, o vazio que contém nossa Via Láctea é enorme, esférico e contém não apenas nosso próprio superaglomerado local, mas muitos superaglomerados além dele. Embora as simulações prevejam vazios que variam de dezenas de milhões de anos-luz a alguns bilhões, nossas medições não ficaram boas o suficiente para medir os maiores vazios com precisão. Com um raio de aproximadamente um bilhão de anos-luz, o vazio que contém nossa Via Láctea, conhecido como vazio KBC (para os cientistas Keenan, Barger e Cowie), é o maior vazio confirmado no Universo.
Com o tempo, as interações gravitacionais transformarão um Universo uniforme e de igual densidade em um com grandes concentrações de matéria e enormes vazios separando-os. Crédito da imagem: Volker Springel.
De acordo com uma nova pesquisa apresentada por Ben Hoscheit na reunião da American Astronomical Society desta semana, esse vazio é totalmente consistente com o fato de ser grande, esférico e conter a Via Láctea a algumas centenas de milhões de anos-luz de seu centro. Amy Barger colocou essa nova confirmação em contexto:
Muitas vezes é muito difícil encontrar soluções consistentes entre muitas observações diferentes. O que Ben mostrou é que o perfil de densidade que Keenan mediu é consistente com observáveis cosmológicos. Sempre se quer encontrar consistência, ou então há um problema em algum lugar que precisa ser resolvido.
Uma região do espaço desprovida de matéria em nossa galáxia revela o Universo além, onde cada ponto é uma galáxia distante. A estrutura cluster/void pode ser vista muito claramente. Crédito da imagem: ESA/Herschel/SPIRE/HerMES.
Se não houvesse um grande vazio cósmico em que nossa Via Láctea residia, essa tensão entre diferentes maneiras de medir a taxa de expansão do Hubble seria um grande problema. Ou haveria um erro sistemático afetando um dos métodos de medi-lo, ou as propriedades de energia escura do Universo podem estar mudando com o tempo . Mas agora, todos os sinais estão apontando para uma explicação cósmica simples que resolveria tudo: estamos simplesmente um pouco abaixo da média quando se trata de densidade.
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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