Novas evidências sugerem que a constante cósmica de Einstein pode estar errada

No ano passado, os resultados do Dark Energy Survey (DES) e do Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) chamaram a atenção dos cosmólogos ao sugerir que a energia escura pode não ser corrigida, afinal. “Esta seria a nossa primeira indicação de que a energia escura não é a constante cosmológica introduzida por Einstein há mais de 100 anos, mas um fenómeno novo e dinâmico,” explicou Josh Frieman, Professor Emérito de Astronomia e Astrofísica.

Nova análise aponta para uma força em evolução

Em um estudo publicado em Revisão Física D em setembro, Frieman e Anowar Shajib, bolsista do programa Einstein Fellowship da NASA em astronomia e astrofísica, analisaram uma ampla gama de dados cosmológicos existentes. Suas descobertas indicam que modelos dinâmicos e variantes no tempo da energia escura fornecem um melhor ajuste às observações atuais do que o modelo de constante cosmológica de longa data.

Shajib é especialista em cosmologia observacional e evolução de galáxias, aplicando fortes lentes gravitacionais para medir a constante de Hubble e restringir os parâmetros da energia escura. O trabalho de Frieman também se centra na cosmologia observacional, fazendo uso de levantamentos massivos do céu, como o Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e o DES, para estudar a origem, estrutura e destino do universo, ao mesmo tempo que investiga a força misteriosa que impulsiona a sua expansão acelerada.

A Universidade de Chicago conversou com Shajib e Frieman sobre as suas descobertas, o que estes novos modelos podem significar para a nossa compreensão da evolução cósmica e como observações futuras podem revelar se a energia escura realmente muda ao longo do tempo.

Por que a energia escura é significativa no estudo do universo?

Frieman: Agora sabemos precisamente quanta energia escura existe no universo, mas não temos compreensão física de o que isso é. A hipótese mais simples é que é a energia do próprio espaço vazio, caso em que seria imutável no tempo, uma noção que remonta a Einstein, Lemaitre, de Sitter e outros no início do século passado. É um pouco embaraçoso que tenhamos pouca ou nenhuma ideia do que são 70% do universo. E seja o que for, determinará a evolução futura do universo.

Que descobertas recentes levaram os cosmólogos a considerar que a energia escura pode estar a evoluir?

Shajib: Embora tenha havido interesse na natureza dinâmica da energia escura desde a sua descoberta nos anos 90 para resolver algumas discrepâncias observacionais, até recentemente, a maioria dos principais e robustos conjuntos de dados eram consistentes com um modelo de energia escura não evolutivo, que é aceite como a cosmologia padrão. No entanto, o interesse na evolução da energia escura foi vigorosamente reavivado no ano passado a partir da combinação de supernovas, oscilação acústica bariônica e dados cósmicos de fundo em micro-ondas dos experimentos DES, DESI e Planck. Esta combinação de conjuntos de dados indicou uma forte discrepância com o modelo padrão e não evolutivo da energia escura. A característica interessante da energia escura não evolutiva é que a sua densidade permanece constante ao longo do tempo, mesmo que o espaço esteja em expansão. No entanto, para o modelo de energia escura em evolução, a densidade da energia escura mudará com o tempo.

Frieman: Os dados destas pesquisas permitem-nos inferir a história da expansão cósmica – a rapidez com que o Universo se tem expandido em diferentes épocas do passado. Se a energia escura evoluir no tempo, essa história será diferente da que seria se a energia escura fosse constante. Os resultados da história da expansão cósmica sugerem que, ao longo dos últimos milhares de milhões de anos, a densidade da energia escura diminuiu cerca de 10% – não muito, e muito menos do que as densidades de outras matérias e energias, mas ainda assim significativa.

Qual foi o objetivo deste estudo e quais foram as conclusões gerais?

Shajib e Frieman: O objetivo deste estudo é comparar as previsões de um físico modelo para a evolução da energia escura com os conjuntos de dados mais recentes e para inferir o físico propriedades da energia escura a partir desta comparação. O “modelo” de energia escura em evolução usado na maioria das análises de dados anteriores é apenas uma fórmula matemática que não está restrita a se comportar como os modelos físicos. Em nosso artigo, comparamos diretamente modelos baseados na física para a evolução da energia escura com os dados e descobrimos que esses modelos descrevem os dados atuais melhor do que o modelo padrão de energia escura não evolutiva. Mostramos também que pesquisas de futuro próximo, como o DESI e o Vera Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST), serão capazes de nos dizer definitivamente se estes modelos estão corretos ou se, em vez disso, a energia escura é realmente constante.

Descrever os modelos apresentados e porque explicam melhor o comportamento da energia escura em comparação com os modelos existentes.

Frieman: Esses modelos são baseados em teorias da física de partículas de partículas hipotéticas chamadas áxions. Os áxions foram previstos pela primeira vez por físicos na década de 1970, que procuraram explicar certas características observadas de interações fortes. Hoje, os áxions são considerados candidatos plausíveis à matéria escura, e experimentos em todo o mundo estão ativamente procurando por eles, incluindo físicos do Fermilab e da Universidade de Chicago.

Os modelos em nosso artigo são baseados em uma versão diferente e ultraleve do áxion que atuaria como energia escura, e não como matéria escura. Nestes modelos, a energia escura seria, de facto, constante durante os primeiros milhares de milhões de anos de história cósmica, mas o áxion começaria então a evoluir – como uma bola num campo inclinado que é libertada do repouso e começa a rolar – e a sua densidade diminuiria lentamente, que é o que os dados parecem preferir. Portanto, os dados sugerem a existência de uma nova partícula na natureza que é cerca de 38 ordens de grandeza mais leve que o elétron.

Quais são as implicações dessas descobertas para a compreensão da expansão cósmica?

Shajib: Nestes modelos, a densidade da energia escura diminui com o tempo. A energia escura é a razão da expansão acelerada do universo, portanto, se a sua densidade diminuir, a aceleração também diminuirá com o tempo. Se considerarmos o futuro muito distante do universo, diferentes características da energia escura podem levar a resultados diferentes. Dois extremos destes resultados são um Big Rip, onde a própria expansão acelerada acelera ao ponto de destruir tudo, até mesmo átomos, e um Big Crunch, onde o universo para de se expandir em algum ponto e entra em colapso, o que parecerá um Big Bang reverso. Os nossos modelos sugerem que o Universo evitará ambos estes extremos: sofrerá uma expansão acelerada durante muitos milhares de milhões de anos, produzindo um Universo frio e escuro – um Grande Congelamento.

Esses resultados poderiam ter outras implicações menos aparentes?

Frieman: As únicas implicações práticas que posso imaginar são as tecnologias que precisamos de desenvolver para explorar ainda mais estas ideias – construção de novos telescópios, lançamento de novos satélites ou desenvolvimento de novos detectores, por exemplo. É provável que tais desenvolvimentos tenham um impacto muito maior nas nossas vidas do que acontecimentos que ocorrerão daqui a biliões de anos.

O que mais te entusiasma nesses resultados?

Shajib: Para este artigo, reunimos todos os principais conjuntos de dados – do DES, DESI, SDSS, Time-Delay COSMOgraphy, Pranchae o Telescópio Cosmológico Atacama – e os combinou para obter a medição mais restritiva da energia escura até o momento. Todas estas medições provêm de extensas experiências, portanto, de certa forma, representam o conhecimento coletivo que a comunidade cosmológica reuniu como um todo.

Frieman: Quando começamos a trabalhar no DES em 2003, nosso objetivo era restringir as propriedades da energia escura para determinar se ela era constante ou mutável. Durante duas décadas, os dados indicaram que era constante. Quase desistimos dessa questão porque os dados apoiavam consistentemente a suposição. No entanto, temos agora a primeira indicação em mais de 20 anos de que a energia escura pode estar a mudar e, se estiver a evoluir, deve ser algo novo, que mudaria a nossa compreensão da física fundamental. Esse sentimento lembra onde estávamos no início. Ainda pode acontecer que essas dicas estejam incorretas, mas podemos estar prestes a responder a essa pergunta, e isso é bastante emocionante.