As maiores estruturas do Universo podem não existir de fato

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Esta imagem do superaglomerado Laniakea, que representa uma coleção de mais de 100.000 galáxias estimadas abrangendo um volume de mais de 100 milhões de anos-luz, mostra a distribuição de matéria escura (a parte roxa escura) e galáxias individuais (os pontos laranja/amarelo brilhante) juntas. Apesar da identificação relativamente recente de Laniakea como o superaglomerado que contém a Via Láctea e muito mais, não é uma estrutura gravitacionalmente conectada e não se manterá unida à medida que o Universo continua a se expandir. Créditos: Tsaghkyan / Wikimedia Commons.

Por Ethan Siegel
Publicado na Forbes

Em teoria, o Universo deveria ser o mesmo, em média, em todos os lugares.

Uma simulação da estrutura em grande escala do Universo. Enquanto, em pequenas escalas, várias regiões são densas e massivas o suficiente para corresponder a aglomerados de estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias, e outras correspondem a vazios cósmicos, em escalas maiores, cada local é muito similar a qualquer outro. Crédito: Dra. Zarija Lukic.

Nas escalas maiores, não importa a direção que você observa.

Esta imagem mostra um mapa do céu e os aglomerados em raios-X identificados para medir a expansão do Universo de uma forma dependente da direção, junto com quatro aglomerados em raios-X em detalhes capturados pelo observatório de raios-X Chandra da NASA. Embora os resultados sugiram que a expansão do Universo pode não ser isotrópica – isto é, a mesma em todas as direções -, os dados estão longe de ser claros e a interpretação anisotrópica foi fortemente criticada. Créditos: NASA / CXC / Univ. de Bonn / K. Migkas et al.

Nem deve importar o local que você está examinando.

Na cosmologia moderna, uma teia cósmica em grande escala de matéria escura e matéria normal permeia o Universo. Nas escalas de galáxias individuais e menores, as estruturas formadas pela matéria são altamente não lineares, com densidades que se afastam da densidade média em enormes quantidades. Em escalas muito grandes, no entanto, a densidade de qualquer região do espaço é muito próxima da densidade média: cerca de 99,99% de precisão. Crédito: Universidade de Washington Ocidental.

Esperamos isotropia e homogeneidade, com consequências físicas se forem violadas.

O Universo primitivo estava cheio de matéria e radiação, e era tão quente e denso que os quarks e glúons presentes não se formaram em prótons e nêutrons individuais, mas permaneceram em um plasma de quark-glúons. Essa sopa primordial consistia em partículas, antipartículas e radiação e, embora estivesse em um estado de entropia mais baixo do que o nosso Universo moderno, ainda havia muita entropia. Créditos: Colaboração do RHIC, Brookhaven.

Inicialmente, o Big Bang ocorreu simultaneamente em todos os lugares.

O conjunto completo do que está presente hoje no Universo deve suas origens ao Big Bang quente. Mais fundamentalmente, o Universo que temos hoje só pode surgir por causa das propriedades do espaço-tempo e das leis da física. Sem elas, não podemos ter existência em qualquer forma. Tradução da imagem: espaço (space) e tempo (time). Créditos: NASA / GSFC.

Todos os locais possuíam temperaturas e densidades equivalentes.

À medida que nossos satélites melhoraram suas capacidades, eles testaram escalas menores, mais bandas de frequência e diferenças de temperatura menores no fundo cósmico em micro-ondas. As imperfeições de temperatura ajudam a nos ensinar do que o Universo é feito e como ele evoluiu, pintando um cenário que requer matéria escura para fazer sentido. Créditos: NASA / ESA e as equipes do COBE, WMAP e Planck; Planck 2018 Results. VI. Cosmological Parameters; Planck Collaboration (2018).

Apenas pequenas imperfeições, uma parte em 30.000, são sobrepostas.

A estrutura em grande escala do Universo muda com o tempo, à medida que pequenas imperfeições crescem para formar as primeiras estrelas e galáxias, e depois se fundem para formar as grandes galáxias modernas que vemos hoje. Olhar para grandes distâncias revela um Universo mais jovem, semelhante a como era nossa região local no passado. As oscilações de temperatura no fundo cósmico em micro-ondas, bem como as propriedades de aglomeração de galáxias ao longo do tempo, fornecem um método único de medir a história de expansão do Universo. Créditos: Chris Blake e Sam Moorfield.

Essas imperfeições então evoluíram gravitacionalmente, limitadas por nossas leis físicas.

Este trecho de uma simulação de formação de estrutura, com a expansão do Universo em escala, representa bilhões de anos de crescimento gravitacional em um Universo rico em matéria escura. Observe que os filamentos e os ricos aglomerados, que se formam na interseção dos filamentos, surgem principalmente devido à matéria escura; a matéria normal desempenha apenas um papel menor. Ver a animação em GIF aqui. Créditos: Ralf Kähler e Tom Abel (KIPAC) / Oliver Hahn.

Formaram-se estruturas cosmológicas colossais: estrelas, galáxias e a grande teia cósmica.

Um mapa de mais de um milhão de galáxias no Universo, onde cada ponto é uma única galáxia. Nessas escalas grandes, fica claro que os padrões dos aglomerados que vemos são importantes em escalas cósmicas pequenas, mas quando olhamos para escalas cada vez maiores, o Universo parece mais uniforme. Créditos: Daniel Eisenstein e a Colaboração do SDSS-III.

Esperamos um limite de tamanho estrutural: ~1,2 bilhões de anos-luz.

A reconstrução 3D de 120.000 galáxias e suas propriedades de aglomeração, inferida a partir de seu desvio para o vermelho e formação de estrutura em grande escala. A imagem da esquerda em preto e branco são os dados brutos, os pontos verdes mostram as posições 3D reconstruídas dessas mesmas galáxias. Créditos: Jeremy Tinker e a Colaboração do SDSS-III.

Qualquer coisa maior não teria tempo suficiente para se formar.

Ambas as simulações (vermelho) e os levantamentos de galáxias (azul/roxo) exibem o mesmo padrão de aglomeração em grande escala se compararmos um com o outro, mesmo quando você olha para os detalhes matemáticos. Se a matéria escura não estivesse presente, grande parte dessa estrutura não apenas diferiria em detalhes, mas seria eliminada da existência; galáxias seriam raras e repleta quase exclusivamente de elementos leves. Créditos: Gerard Lemson e o Consórcio do Virgo.

Nós descobrimos muitas “muralhas” de galáxias enormes no espaço.

O meio intergaláctico médio (WHIM) tem sido visto ao longo de regiões incrivelmente superdensas, como a Muralha do Escultor, ilustrada acima. Essas muralhas são enormes, mas não maiores do que 1,4 bilhão de anos-luz, pelo menos pelo o que confirmamos de sua existência. Ainda assim, é concebível que ainda existam surpresas por aí no Universo. Espectro: NASA / CXC / Univ. da Califórnia, Irvine / T. Fang. Ilustração: CXC / M. Weiss.

Da mesma forma, grandes vazios cósmicos existem entre elas.

Uma região do espaço desprovida de matéria em nossa galáxia revela o Universo além dela, onde cada ponto é um galáxia distante. A estrutura do aglomerado/vazio pode ser vista muito claramente, demonstrando que nosso Universo não tem densidade exatamente uniforme em todas as escalas. Para onde quer que olhemos, no entanto, ainda encontramos “algo” no Universo. Créditos: ESA / HERSCHEL / SPIRE / HERMES.

Essas estruturas maiores se aproximam – mas não excedem significativamente – dos limites cósmicos esperados.

Esta figura mostra os efeitos atrativos e repulsivos relativos das regiões superdensas e subdensas da Via Láctea. Observe que, apesar do grande número de galáxias aglomeradas e agrupadas nas proximidades, também existem grandes regiões que têm extremamente poucas galáxias: vazios cósmicos. Embora tenhamos alguns poucos vazios substanciais por perto, existem vazios ainda maiores e de densidade mais baixa encontrados no Universo distante, mas nada que desafie nossas expectativas cósmicas. Créditos: Yehuda Hoffman, Daniel Pomarède, R. Brent Tully, e Hélène Courtois, Nature Astronomy 1, 0036 (2017).

Mas duas classes de estruturas ameaçam esse cenário.

Alguns grupos de quasares parecem estar agrupados e/ou alinhados em escalas cósmicas maiores do que o previsto. O maior deles, conhecido como Grande Grupo de Quasares (Huge-LQG), consiste em 73 quasares que medem até 5-6 bilhões de anos-luz, mas pode ser apenas o que é conhecido como uma pseudoestrutura. Créditos: OES / M. Kornmesser.

Três grandes agrupamentos de quasares distintos estão agrupados em escalas cósmicas muito grandes.

Aqui, dois grandes agrupamentos de quasares (LQCs) diferentes são mostrados: o Clowes-Campusano LQG em vermelho e o Huge-LQG em preto. A apenas dois graus de distância, outro LQG também foi encontrado. No entanto, ainda não sabemos se essas são apenas localizações de quasares não relacionados ou um verdadeiro conjunto de estruturas maior do que o esperado. Tradução da imagem: Norte (North) e Leste (East). Créditos: R. G. Clowes / Universidade de Lancashire Central; SDSS.

Da mesma forma, grupos de galáxias do mapeamento de erupções de raios gama ultrapassam esses limites.

O Satélite Fermi da NASA elaborou o mapa do Universo com a mais alta resolução e alta energia já criado. Sem observatórios baseados no espaço como este, nunca poderíamos aprender tudo o que está disponível sobre o Universo, nem mesmo medir com precisão o céu em raios gama. Algumas erupções de raios gama parecem estar agrupadas de uma forma que pode indicar estruturas cósmicas maiores do que o esperado. Créditos: Colaboração NASA / DOE / FERMI.

Se forem reais, essas estruturas desafiam nossa compreensão cósmica atual.

Esta ilustração do Giant GRB Ring e a estrutura de grande escala subjacente inferida mostra o que pode ser responsável pelo padrão que observamos. No entanto, esta pode não ser uma estrutura verdadeira, mas apenas uma pseudoestrutura, e podemos estar nos enganando ao acreditar que isso se estende por muitos bilhões de anos-luz de espaço. Créditos: Pablo Carlos Budassi / Wikimedia Commons.

No entanto, elas podem ser puramente fantasmagóricas.

Esta ilustração da erupção de raios gama mais distante já detectada, GRB 090423, é considerada típica da maioria das erupções rápidas de raios gama. No entanto, se as múltiplas erupções de raios gama que vimos são boas mapeadoras da estrutura de grande escala subjacente ou não, permanece um tópico debatido. Créditos: ESO / A. Roquette.

Esses sinais podem emergir de ruído aleatório subjacente nos dados, com as estatísticas “descobrindo” incorretamente padrões inexistentes.

Imagem combinada do quasar RX J1131 (centro) obtida pelo Observatório de Raios-X Chandra da NASA e o Telescópio Espacial Hubble. Os eventos de microlentes gravitacionais associados a este quasar fornecem evidências de cerca de 2.000 planetas errantes/órfãos que povoam o espaço interestelar em torno do núcleo deste quasar, tornando este o local mais distante conhecido que contém planetas. Embora outros quasares e estruturas possam ser encontrados nas proximidades, podemos dizer que este objeto não faz parte de uma estrutura maior do que os limites cósmicos esperados. Créditos: NASA / CXC / Univ. de Michigan / R. C. REIS et. al.

Somente dados superiores, mapeando suficientemente nosso Universo, confirmarão isso.

O Hubble Ultra-Deep Field, mostrado em azul, é atualmente a maior e mais profunda campanha de longa exposição empreendida pela humanidade. Pela mesma quantidade de tempo de observação, o Telescópio Nancy Grace Roman será capaz de criar imagens da área laranja exatamente com a mesma profundidade, revelando mais de 100 vezes mais objetos do que estão presentes na imagem em comparação do Hubble. Devemos finalmente ser capazes de testar se esses agrupamentos de quasares e erupções de raios gama são estruturas reais ou apenas pseudoestruturas. Créditos: NASA, ESA, e A. Koekemoer (STSCI); Digitized Sky Survey.