Depois de 2 anos no espaço, o telescópio James Webb quebrou a cosmologia. Pode ser consertado?
Uma anomalia parece existir em nosso sempre expansivo universo. Há quase um século, o renomado astrônomo Edwin Hubble fez uma descoberta revolucionária: o universo estava inflando como um balão, e todas as galáxias estavam se afastando rapidamente umas das outras. Isso levou à amplamente aceita noção do Big Bang como a origem do universo.
No entanto, nos últimos anos, uma preocupante inconsistência surgiu. A taxa de expansão do universo, conhecida como a constante de Hubble, mostra variações significativas dependendo de onde os astrônomos direcionam seu olhar.
Agora, marcando seu segundo ano desde o lançamento, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) apresentou observações altamente precisas que acentuam ainda mais essa discrepância. Essas novas descobertas ameaçam desafiar o modelo estabelecido de cosmologia que está em vigor há quatro décadas.
Essa discrepância desencadeou acalorados debates entre os cientistas. Adam Riess, professor de astronomia na Universidade Johns Hopkins e laureado com o Nobel, que desempenhou um papel fundamental na descoberta da energia escura, comenta sobre as implicações: “É um desacordo que nos faz questionar se realmente entendemos a composição e a física do universo.”
O modelo cosmológico predominante propõe que o universo teve origem a partir de uma explosão tremenda, gradualmente evoluindo para seu estado atual. Durante sua infância, o universo consistia em uma mistura turbulenta de matéria e antimatéria, prestes a se aniquilar. No entanto, algum fator desconhecido permitiu que mais matéria do que antimatéria existisse, evitando a destruição imediata.
A gravidade causou a compressão nos bolsões de plasma, gerando ondas sonoras conhecidas como oscilações acústicas de bárions, que se propagaram pela superfície do universo. Ao mesmo tempo, a alta densidade de energia alongou o espaço-tempo, extraindo uma pequena fração de matéria do ambiente caótico.
De acordo com o modelo padrão, à medida que o universo se expandia como um balão, a matéria comum se combinava com a matéria escura invisível para formar as primeiras galáxias, interligadas por uma vasta teia cósmica. Inicialmente, à medida que o universo se expandia, sua densidade de energia e taxa de expansão diminuíam. No entanto, cerca de 5 bilhões de anos atrás, as galáxias começaram a se afastar a um ritmo cada vez mais rápido, atribuído à enigmática energia escura.
A explicação mais amplamente aceita para a energia escura é que ela é uma constante cosmológica, denotada como lambda, consistente no espaço e no tempo, entrelaçada com a trama do espaço-tempo, conforme descrito pela teoria da relatividade geral de Einstein. À medida que o universo se expandia, a densidade da matéria regular diminuía, enquanto a densidade da energia escura permanecia constante, tornando-se eventualmente o motor predominante da expansão cósmica.
A soma das densidades de energia da matéria regular, da matéria escura, da energia escura e da luz define o limite superior para a velocidade de expansão do universo, moldando o modelo Lambda-CDM (Lambda-matéria escura fria) da cosmologia. Este modelo prevê com precisão vários aspectos do crescimento cósmico, mas enfrenta um obstáculo significativo: a natureza enigmática da matéria escura e da energia escura.
De acordo com Ofer Lahav, professor de astronomia da University College London: “A maioria das pessoas concorda que a composição atual do universo é de 5% de matéria comum, 25% de matéria escura fria e 70% de energia escura. O fato constrangedor é que não entendemos as duas últimas.”
Além disso, um desafio mais urgente para o modelo Lambda-CDM é a Tensão de Hubble. Dependendo do método de medição empregado, a taxa de expansão do universo parece inconsistente, com observações do universo primordial sugerindo uma taxa de expansão muito mais rápida do que a prevista pelo Lambda-CDM.
Medir a expansão do universo é uma tarefa complexa. Um método envolve o estudo da radiação cósmica de fundo, conhecida como CMB, a luz mais antiga do universo, observada cerca de 380.000 anos após o Big Bang. Outro método usa estrelas pulsantes chamadas variáveis Cefeidas, que fornecem uma escada cósmica de distância, permitindo que os astrônomos rastreiem a história do universo.
O satélite Planck, em operação de 2009 a 2013, obteve medições precisas do CMB, resultando em uma constante de Hubble de aproximadamente 46.200 milhas por milhão de anos-luz. No entanto, o método das variáveis Cefeidas, usado por Riess e sua equipe, produziu uma taxa de expansão inesperadamente alta de 74 km/s/Mpc.
O lançamento do JWST em 2021 tinha como objetivo resolver ou solidificar essa discrepância. Com suas capacidades avançadas, incluindo a capacidade de detectar objetos 100 vezes mais fracos do que o Hubble, o JWST comparou as variáveis Cefeidas na galáxia NGC 4258 com supernovas do Tipo Ia em galáxias distantes, resultando em um resultado semelhante de 73 km/s/Mpc.
Medições adicionais, incluindo aquelas realizadas por Wendy Freedman, propuseram valores de 69,6 e 66,6 km/s/Mpc, enquanto outro método baseado na curvatura da luz também resultou em 73 km/s/Mpc. Essa inconsistência deixa os cosmólogos lutando para encontrar uma explicação.
A discordância nas taxas de expansão desencadeou uma crise na cosmologia, levando várias facções a explorar soluções divergentes. Riess sugere uma modificação no modelo Lambda-CDM, considerando que a energia escura pode não ser constante, mas pode evoluir ao longo do tempo de acordo com a física desconhecida.
Por outro lado, alguns pesquisadores propõem que a discrepância exige a rejeição do modelo Lambda-CDM e a reavaliação do papel da matéria escura. Pavel Kroupa, professor de astrofísica, defende a teoria das Dinâmicas Newtonianas Modificadas (MOND), sugerindo que as leis de Newton se desfazem para forças gravitacionais em uma escala galáctica.
No entanto, essa teoria permanece controversa entre os astrônomos, com desacordos sobre sua validade. A situação levou a uma crescente frustração, e alguns, como Kroupa, expressam preocupação com o estado da pesquisa científica.
Ofer Lahav permanece agnóstico, sugerindo que o Lambda-CDM pode exigir ajustes ou que a matéria escura e a energia escura podem ser análogas ao conceito grego antigo de epiciclos, servindo como uma solução temporária até que um modelo mais preciso surja.
Para desvendar esse mistério cósmico, os astrônomos embarcam em uma busca por respostas por meio de experimentos como o CMB-S4 e o Observatório Simons. Eles também estão investigando mapas de matéria escura e conduzindo pesquisas sobre energia escura. A Tensão de Hubble pode ainda ser resolvida por meio de uma análise cuidadosa, ou poderia levar a mais perplexidades, enquanto os pesquisadores aguardam as informações que o JWST pode fornecer. [Live Science]
