Desvendando o Vazio Cósmico: Novas Perspectivas na Expansão do Universo
Um dos maiores enigmas da cosmologia é a velocidade com que o universo se expande. Esse ritmo pode ser estimado através do modelo padrão de cosmologia, conhecido também como Lambda-cold dark matter (ΛCDM). Este modelo é fundamentado em observações detalhadas da luz remanescente do Big Bang, a chamada radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB).
A expansão do universo faz com que as galáxias se afastem umas das outras. Quanto mais distantes estão de nós, mais rápido parecem se mover. A relação entre a velocidade de uma galáxia e sua distância é determinada pela constante de Hubble, que é cerca de 43 milhas (70 km) por segundo por megaparsec (uma unidade de comprimento na astronomia). Isso significa que uma galáxia aumenta sua velocidade em cerca de 50.000 milhas por hora para cada milhão de anos-luz de distância de nós.
Contudo, infelizmente para o modelo padrão, esse valor foi recentemente questionado, levando ao que os cientistas chamam de tensão de Hubble. Quando medimos a taxa de expansão usando galáxias próximas e supernovas (estrelas explodindo), ela é 10% maior do que quando a prevemos com base no CMB.
Em nosso novo artigo publicado no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, apresentamos uma possível explicação: vivemos em um gigantesco vazio no espaço (uma área com densidade abaixo da média). Mostramos que isso poderia inflacionar as medições locais devido aos fluxos de matéria saindo do vazio. Esses fluxos surgiriam quando regiões mais densas ao redor de um vazio o puxam — exercendo uma força gravitacional maior do que a matéria de menor densidade dentro do vazio.
Neste cenário, precisaríamos estar perto do centro de um vazio com cerca de um bilhão de anos-luz de raio e com densidade cerca de 20% abaixo da média do universo como um todo — ou seja, não completamente vazio.
Um vazio tão grande e profundo é inesperado no modelo padrão — e, portanto, controverso. O CMB oferece um instantâneo da estrutura no universo infantil, sugerindo que a matéria hoje deveria estar relativamente espalhada de maneira uniforme. No entanto, a contagem direta do número de galáxias em diferentes regiões de fato sugere que estamos em um vazio local.
Ajustando as Leis da Gravidade Queríamos testar essa ideia mais a fundo, combinando muitas observações cosmológicas diferentes assumindo que vivemos em um grande vazio que cresceu a partir de uma pequena flutuação de densidade nos primórdios.
Para isso, nosso modelo não incorporou ΛCDM, mas uma teoria alternativa chamada Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND).
MOND foi originalmente proposta para explicar anomalias nas velocidades de rotação das galáxias, que levaram à sugestão de uma substância invisível chamada “matéria escura”. MOND sugere que as anomalias podem ser explicadas pela quebra da lei da gravidade de Newton quando a força gravitacional é muito fraca — como é o caso nas regiões exteriores das galáxias.
A história geral da expansão cósmica em MOND seria semelhante ao modelo padrão, mas as estruturas (como aglomerados de galáxias) cresceriam mais rápido em MOND. Nosso modelo captura o que o universo local poderia parecer em um universo MOND. E descobrimos que isso permitiria que as medições locais da taxa de expansão hoje flutuassem dependendo da nossa localização.
Observações recentes de galáxias permitiram um teste crucial do nosso modelo baseado na velocidade que ele prevê em diferentes localizações. Isso pode ser feito medindo algo chamado fluxo em massa, que é a velocidade média da matéria em uma esfera dada, densa ou não. Isso varia com o raio da esfera, com observações recentes mostrando que continua por até um bilhão de anos-luz.
Curiosamente, o fluxo em massa das galáxias nessa escala tem quádrupla a velocidade esperada no modelo padrão. Ele também parece aumentar com o tamanho da região considerada — o oposto do que o modelo padrão prevê. A probabilidade de isso ser consistente com o modelo padrão é inferior a um em um milhão.
Isso nos levou a ver o que nosso estudo previa para o fluxo em massa. Descobrimos que ele se alinha bastante bem com as observações. Isso requer que estejamos bastante próximos ao centro do vazio, e o vazio seja mais vazio em seu centro.
Caso Encerrado? Nossos resultados chegam em um momento em que soluções populares para a tensão de Hubble estão em apuros. Alguns acreditam que precisamos apenas de medições mais precisas. Outros pensam que isso pode ser resolvido assumindo que a alta taxa de expansão que medimos localmente é, na verdade, a correta. Mas isso requer um pequeno ajuste na história da expansão no universo primitivo para que o CMB ainda pareça correto.
Infelizmente, uma revisão influente destaca sete problemas com essa abordagem. Se o universo se expandisse 10% mais rápido durante a maior parte de sua história cósmica, ele também seria cerca de 10% mais jovem — contradizendo as idades das estrelas mais antigas.
A existência de um vazio local profundo e extenso nas contagens de galáxias e os rápidos fluxos em massa observados sugerem fortemente que a estrutura cresce mais rápido do que o esperado em ΛCDM em escalas de dezenas a centenas de milhões de anos-luz.
Curiosamente, sabemos que o enorme aglomerado de galáxias El Gordo se formou muito cedo na história cósmica e tem uma massa e velocidade de colisão muito altas para ser compatível com o modelo padrão. Isso é mais uma evidência de que a estrutura se forma muito lentamente neste modelo.
Como a gravidade é a força dominante em escalas tão grandes, provavelmente precisamos estender a teoria da gravidade de Einstein, a relatividade geral — mas apenas em escalas maiores que um milhão de anos-luz.
No entanto, não temos uma boa maneira de medir como a gravidade se comporta em escalas muito maiores — não existem objetos tão grandes e gravitacionalmente ligados. Podemos assumir que a Relatividade Geral permanece válida e compará-la com observações, mas é precisamente essa abordagem que leva às tensões muito graves atualmente enfrentadas por nosso melhor modelo de cosmologia.
Einstein costumava dizer que não podemos resolver problemas com o mesmo pensamento que levou aos problemas em primeiro lugar. Mesmo que as mudanças necessárias não sejam drásticas, bem podemos estar testemunhando as primeiras evidências confiáveis em mais de um século de que precisamos mudar nossa teoria da gravidade. [Phys]
