O modelo de cosmologia padrão pode estar quebrando

Energia escura – o constituinte cósmico que faz com que a expansão do universo acelere – está mudando com o tempo, de acordo com Resultados anunciados na semana passada na Cúpula de Física World da American Bodily Society em Anaheim, Califórnia. Esses achados, que questionam o modelo convencional de cosmologia conhecido como λcdm, vêm de medições pelo instrumento de espectroscopia de energia escura (DESI) das distâncias e espectros de milhões de galáxias e quasares, o maior conjunto de dados do gênero. Os pesquisadores estão mais confiantes agora do que no ano passado, quando fazem reivindicações semelhantes, mas mais cautelosas. A energia escura proposta de evolução do tempo teria implicações para o destino do universo e para as teorias que tentam unificar a gravidade com a mecânica quântica.

A energia escura representa cerca de 68% do universo, mas os cosmologistas não sabem o que é. Para determinar quais modelos de energia escura podem estar corretos, os cosmologistas precisam de dados de alta precisão sobre o histórico de expansão do universo. Espera -se que a DESI registre imagens e espectros de 50 milhões de alvos celestes por um período de cinco anos usando um telescópio no Kitt Peak Observatory, no Arizona.

A partir desses dados, os pesquisadores do DESI determinam as distâncias entre galáxias. Os eventos no universo inicial levaram a uma distância intergalaxia específica a se tornar um pouco mais comum que outros. Essa chamada escala de oscilação acústica de bariário serve como um “governante padrão” que pode ser medido pela DESI em todas as épocas que remontam a 11 bilhões de anos. Ao rastrear como esse governante muda com o tempo, os pesquisadores podem estimar a história da expansão do universo. Os resultados mais recentes da DESI vêm dos três primeiros anos de tomada de dados, que incluem quase 15 milhões de galáxias e quasares, mais que o dobro do que foram incluídos nos resultados de um ano relatados no ano passado (ver Notícias de pesquisa: mapa de alta precisão do universo desafia a cosmologia convencional).

O entendimento atual do histórico de expansão está contido no modelo λcdm. Esse modelo, que passou uma ampla gama de testes de observação por mais de 25 anos, inclui matéria escura e matéria comum, juntamente com a versão mais simples da energia escura, chamada constante cosmológica (representada por λ). Esta versão da Darkish Power possui uma densidade de energia permanentemente fixa que exerce uma pressão externa no espaço que não diminui à medida que o universo aumenta. Por outro lado, a densidade da matéria é continuamente diluída à medida que o espaço se expande, o que reduz a força da força de contração fornecida pela gravidade. Assim, com a constante cosmológica, a expansão acelerada é implacável e a gravidade nunca pode vencer.

Mas essa imagem não é apoiada pelas observações de Desi. O membro da equipe Enrique Paillas, da Universidade do Arizona, informou na conferência que os novos dados-quando combinados com outros conjuntos de dados-saboram uma energia escura em evolução (ou dinâmica), em contradição com o λcdm. Combinando os resultados da DESI com as duas observações cósmicas de fundo de microondas (CMB) e dados de supernova (uma técnica alternativa para a medição da distância cósmica), os pesquisadores acham que λcdm é desfavorecido com um significado de 4.2σ. Esse significado significa que a probabilidade de que essa discrepância seja um acaso estatístico é inferior a 0,01%.

Um benefício dos dados adicionais é que a equipe agora pode tirar conclusões sobre energia escura com alta significância estatística sem a necessidade de incluir todos os conjuntos de dados, diz o desi cesgokesson Alexie Leauthaud, da Universidade da Califórnia, Santa Cruz. “Anteriormente, nós meio que jogamos tudo, menos a pia da cozinha” na análise, diz ela. Mas agora a colaboração pode analisar várias combinações (como Desi com apenas CMB ou apenas supernovas), e elas ainda vêem uma preferência pela energia escura evoluindo do tempo.

A análise DESI também mostra que a energia escura está evoluindo de uma maneira que não period esperada, diz Leauthaud. A razão de pressão da energia escura e a densidade de energia, chamada W, é fixada em -1 em λcdm, mas na análise DESI, seu valor 11 bilhões de anos atrás foi cerca de -1,4 e hoje é cerca de -0,7. Leauthaud diz que qualquer valor abaixo de -1 leva a complicações para modelos teóricos, como a exigência de interações entre energia escura e matéria escura ou a necessidade de vários tipos de energia escura. Além disso, os resultados de Desi sugerem que a expansão acelerada do universo começou cerca de sete bilhões de anos atrás, atingiu um pico há cerca de dois bilhões de anos e está desacelerando desde então. Se continuar, essa desaceleração pode eventualmente levar a uma contração do universo – o oposto do destino previsto por λcdm. “Os teóricos vão se divertir muito” tentando explicar os resultados, diz ela.

“Parece muito mais crível agora do que no ano passado”, diz o cosmologista Rocky Kolb, da Universidade de Chicago, sobre a reivindicação de energia escura dinâmica. Ele diz que a descoberta parece marcar uma grande mudança para a cosmologia. Por outro lado, ele está mantendo algum ceticismo porque “não há motivo teórico convincente para energia escura dinâmica”.

O teórico de String de Harvard, Cumrun Vafa, está “muito animado” pelos resultados do DESI, que se alinham com uma hipótese que ele e seus colegas desenvolveram em 2018 (1) (ver Tendência: previsões cósmicas da corda Swampland). Eles propuseram que as teorias das cordas, que são tentativas de unificar a relatividade geral com a mecânica quântica, não são compatíveis com uma constante cosmológica. Em vez disso, Vafa e colegas sugeriram que a energia escura evolui a uma taxa proporcional à sua força. Os resultados do DESI “alinham -se notavelmente bem – ambos qualitativos e quantitativos – com essa previsão”, diz Vafa.

–David Ehrentein

David Ehrenstein é um editor sênior de Revista de Física.

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