O universo foi pego desacelerando o crescimento de estruturas cósmicas

À medida que o universo evolui, os cientistas esperam que grandes estruturas cósmicas cresçam a um determinado ritmo: regiões densas, como aglomerados de galáxias, tornar-se-iam mais densas, enquanto o vazio do espaço ficaria mais vazio.

Mas investigadores da Universidade de Michigan descobriram que a taxa de crescimento destas grandes estruturas é mais lenta do que o previsto pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein.

Mostraram também que, à medida que a energia escura acelera a expansão global do Universo, a supressão do crescimento da estrutura cósmica que os investigadores veem nos seus dados é ainda mais proeminente do que o que a teoria prevê. Seus resultados são publicados na Physical Review Letters.

As galáxias estão espalhadas por todo o nosso universo como uma gigante teia de aranha cósmica. A sua distribuição não é aleatória. Em vez disso, elas tendem a se agrupar. Na verdade, toda a teia cósmica começou como pequenos aglomerados de matéria no universo primitivo, que gradualmente cresceram em galáxias individuais e, eventualmente, em aglomerados e filamentos de galáxias.

“Ao longo do tempo cósmico, um aglomerado inicialmente pequeno de massa atrai e acumula cada vez mais matéria da sua região local através da interação gravitacional. À medida que a região se torna cada vez mais densa, eventualmente entra em colapso sob a sua própria gravidade,” disse Minh Nguyen, autor principal e pesquisador da bolsa de estudo e investigação de pós-doutoramento no Departamento de Física da UM.

“Então, à medida que desmoronam, os aglomerados ficam mais densos. É isso que queremos dizer com crescimento. É como um tear de tecido onde colapsos unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais parecem uma folha, um filamento e um nó. A realidade é um mistura dos três casos, e você tem galáxias vivendo ao longo dos filamentos, enquanto aglomerados de galáxias – grupos de milhares de galáxias, os objetos mais massivos do nosso universo limitados pela gravidade – ficam nos nós.”

O universo não é feito apenas de matéria. Provavelmente também contém um componente misterioso chamado energia escura. A energia escura acelera a expansão do universo em escala global. À medida que a energia escura acelera a expansão do universo, ela tem o efeito oposto nas grandes estruturas.

“Se a gravidade atua como um amplificador que aumenta as perturbações da matéria para crescer em estruturas em grande escala, então a energia escura atua como um atenuador que amortece essas perturbações e retarda o crescimento da estrutura”, disse Nguyen. “Ao examinar como a estrutura cósmica tem se agrupado e crescido, podemos tentar compreender a natureza da gravidade e da energia escura.”

Nguyen, o professor de física da UM, Dragan Huterer, e o estudante de pós-graduação da UM, Yuewei Wen, examinaram o crescimento temporal da estrutura em grande escala ao longo do tempo cósmico usando várias sondagens cosmológicas.

Primeiro, a equipe usou o que é chamado de radiação cósmica de fundo. A radiação cósmica de fundo, ou CMB, é composta de fótons emitidos logo após o Big Bang. Esses fótons fornecem uma representação do universo primitivo. À medida que os fótons viajam até aos nossos telescópios, o seu caminho pode tornar-se distorcido, ou sofrer lentes gravitacionais, devido a estruturas em grande escala ao longo do caminho. Examinando-os, os pesquisadores podem inferir como a estrutura e a matéria entre nós e a radiação cósmica de fundo em micro-ondas estão distribuídas.

Nguyen e colegas tiraram vantagem de um fenômeno semelhante com lentes gravitacionais fracas em formato de galáxias. A luz das galáxias de fundo é distorcida por meio de interações gravitacionais com a matéria e as galáxias em primeiro plano. Os cosmólogos então decodificam essas distorções para determinar como a matéria interveniente é distribuída.

“Crucialmente, como a CMB e as galáxias de fundo estão localizadas a distâncias diferentes de nós e dos nossos telescópios, as lentes gravitacionais fracas da galáxia normalmente sondam as distribuições de matéria num momento posterior em comparação com o que é investigado pelas lentes gravitacionais fracas da CMB,” disse Nguyen.

Para acompanhar o crescimento da estrutura até um momento ainda mais tardio, os investigadores utilizaram ainda os movimentos das galáxias no universo local. À medida que as galáxias caem nos poços gravitacionais das estruturas cósmicas subjacentes, os seus movimentos acompanham diretamente o crescimento da estrutura.

“A diferença nestas taxas de crescimento que potencialmente descobrimos torna-se mais proeminente à medida que nos aproximamos dos dias atuais”, disse Nguyen. “Essas diferentes sondagens, individual e coletivamente, indicam uma supressão do crescimento. Ou estamos perdendo alguns erros sistemáticos em cada uma dessas sondagens, ou estamos perdendo alguma física nova e tardia em nosso modelo padrão.”

As descobertas abordam potencialmente a chamada tensão S8 na cosmologia. S8 é um parâmetro que descreve o crescimento da estrutura. A tensão surge quando os cientistas usam dois métodos diferentes para determinar o valor de S8 e não concordam. O primeiro método, usando fótons da radiação cósmica de fundo, indica um valor S8 mais alto do que o valor inferido a partir de lentes gravitacionais fracas de galáxias e medições de agrupamento de galáxias.

Nenhuma dessas sondagens mede o crescimento da estrutura no presente. Em vez disso, elas sondam a estrutura em tempos anteriores e extrapolam essas medidas para o tempo atual, assumindo o modelo padrão. O fundo cósmico de micro-ondas sonda a estrutura no início do universo, enquanto a lente gravitacional fraca de galáxias e a aglomeração sondam a estrutura no universo mais recente.

As descobertas dos investigadores sobre uma supressão tardia do crescimento trariam os dois valores S8 em perfeita concordância, de acordo com Nguyen.

“Ficamos surpresos com a alta significância estatística da supressão do crescimento anômalo”, disse Huterer. “Honestamente, sinto que o universo está tentando nos dizer algo. Agora é função de nós, cosmólogos, interpretar essas descobertas.

“Gostaríamos de fortalecer ainda mais a evidência estatística para a supressão do crescimento. Gostaríamos também de compreender a resposta à questão mais difícil de por que as estruturas crescem mais lentamente do que o esperado no modelo padrão com matéria escura e energia escura. A causa deste efeito pode ser devido a novas propriedades da energia escura e da matéria escura, ou a alguma outra extensão da Relatividade Geral e do modelo padrão que ainda não pensamos.”