Cientistas testaram a relatividade de Einstein em escala cósmica e encontraram algo estranho

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(Créditos: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images)

Traduzido por Julio Batista
Original de Kazuya KoyamaLevon Pogosian para a The Conversation

Tudo no Universo tem gravidade – e é afetado por ela também. No entanto, esta mais comum de todas as forças fundamentais é também a que apresenta os maiores desafios para os físicos.

A teoria da relatividade geral de Albert Einstein tem sido notavelmente bem-sucedida em descrever a gravidade de estrelas e planetas, mas não parece se aplicar perfeitamente em todas as escalas.

A relatividade geral passou por muitos anos de testes observacionais, desde a medição de Eddington da deflexão da luz das estrelas pelo Sol em 1919 até a recente detecção de ondas gravitacionais.

No entanto, lacunas em nosso entendimento começam a aparecer quando tentamos aplicá-lo a distâncias extremamente pequenas, onde operam as leis da mecânica quântica, ou quando tentamos descrever todo o universo.

Nosso novo estudo, publicado na Nature Astronomy, agora testou a teoria de Einstein na maior das escalas.

Acreditamos que nossa abordagem pode um dia ajudar a resolver alguns dos maiores mistérios da cosmologia, e os resultados sugerem que a teoria da relatividade geral pode precisar ser ajustada nessa escala.

Modelo com defeito?

A teoria quântica prevê que o espaço vazio, o vácuo, está repleto de energia. Não notamos sua presença porque nossos dispositivos só podem medir mudanças na energia e não em sua quantidade total.

No entanto, de acordo com Einstein, a energia do vácuo tem uma gravidade repulsiva – ela afasta o espaço vazio. Curiosamente, em 1998, descobriu-se que a expansão do Universo está de fato acelerando (uma descoberta premiada com o Prêmio Nobel de Física de 2011).

No entanto, a quantidade de energia do vácuo, ou energia escura, como tem sido chamada, necessária para explicar a aceleração é muitas ordens de magnitude menor do que a teoria quântica prevê.

Daí a grande questão, apelidada de “o velho problema da constante cosmológica”, é se a energia do vácuo realmente gravita – exercendo uma força gravitacional e alterando a expansão do universo.

Se sim, então por que sua gravidade é muito mais fraca do que o previsto? Se o vácuo não gravita, o que está causando a aceleração cósmica?

Não sabemos o que é a energia escura, mas precisamos supor que ela existe para explicar a expansão do Universo.

Da mesma forma, também precisamos supor que há um tipo de presença de matéria invisível para nós, apelidada de matéria escura, para explicar como as galáxias e os aglomerados evoluíram para ser a maneira como os observamos hoje.

Essas suposições são incorporadas à teoria cosmológica padrão dos cientistas, chamada de modelo lambda de matéria escura fria (LCDM, na sigla em inglês) – sugerindo que há 70% de energia escura, 25% de matéria escura e 5% de matéria comum no cosmos. E esse modelo foi notavelmente bem-sucedido em encaixar todos os dados coletados pelos cosmólogos nos últimos 20 anos.

Mas o fato de que a maior parte do Universo é composta de forças e substâncias escuras, assumindo valores estranhos que não fazem sentido, levou muitos físicos a se perguntarem se a teoria da gravidade de Einstein precisa de modificação para descrever todo o universo.

Uma nova reviravolta apareceu há alguns anos, quando se tornou aparente que diferentes formas de medir a taxa de expansão cósmica, apelidada de constante de Hubble, dão respostas diferentes – um problema conhecido como tensão de Hubble.

A discordância, ou tensão, é entre dois valores da constante de Hubble.

Um é o número previsto pelo modelo cosmológico LCDM, que foi desenvolvido para corresponder à luz que sobrou do Big Bang (a radiação cósmica de fundo em micro-ondas).

A outra é a taxa de expansão medida pela observação da explosão de estrelas conhecidas como supernovas em galáxias distantes.

Muitas ideias teóricas foram propostas para formas de modificar o LCDM para explicar a tensão de Hubble. Entre elas estão as teorias alternativas da gravidade.

Procurando por respostas

Podemos projetar testes para verificar se o universo obedece às regras da teoria de Einstein.

A relatividade geral descreve a gravidade como a curvatura ou deformação do espaço e do tempo, dobrando os caminhos ao longo dos quais a luz e a matéria viajam. É importante ressaltar que ela prevê que as trajetórias dos raios de luz e da matéria devem ser dobradas pela gravidade da mesma maneira.

Juntamente com uma equipe de cosmólogos, testamos as leis básicas da relatividade geral. Também exploramos se a modificação da teoria de Einstein poderia ajudar a resolver alguns dos problemas em aberto da cosmologia, como a tensão de Hubble.

Para descobrir se a relatividade geral está correta em grandes escalas, nos propusemos, pela primeira vez, a investigar simultaneamente três aspectos dela. Estes eram a expansão do Universo, os efeitos da gravidade na luz e os efeitos da gravidade na matéria.

Usando um método estatístico conhecido como inferência Bayesiana, reconstruímos a gravidade do Universo através da história cósmica em um modelo de computador baseado nesses três parâmetros.

Nós poderíamos estimar os parâmetros usando os dados de fundo de micro-ondas cósmicas do satélite Planck, catálogos de supernovas, bem como observações das formas e distribuição de galáxias distantes pelos telescópios SDSS e DES.

Em seguida, comparamos nossa reconstrução com a previsão do modelo LCDM (essencialmente o modelo de Einstein).

Encontramos pistas interessantes de uma possível incompatibilidade com a previsão de Einstein, embora com significância estatística bastante baixa.

Isso significa que, no entanto, existe a possibilidade de que a gravidade funcione de maneira diferente em grandes escalas e que a teoria da relatividade geral precise ser ajustada.

Nosso estudo também descobriu que é muito difícil resolver o problema da tensão de Hubble mudando apenas a teoria da gravidade.

A solução completa provavelmente exigiria um novo ingrediente no modelo cosmológico, presente antes do momento em que prótons e elétrons se combinaram pela primeira vez para formar hidrogênio logo após o Big Bang, como uma forma especial de matéria escura, um tipo primitivo de energia escura ou campos magnéticos primordiais.

Ou, talvez, haja um erro sistemático ainda desconhecido nos dados.

Dito isso, nosso estudo demonstrou que é possível testar a validade da relatividade geral sobre distâncias cosmológicas usando dados observacionais. Embora ainda não tenhamos resolvido a tensão de Hubble, teremos muito mais dados de novas sondas em alguns anos.

Isso significa que poderemos usar esses métodos estatísticos para continuar aprimorando a relatividade geral, explorando os limites das modificações, para pavimentar o caminho para resolver alguns dos desafios abertos na cosmologia.