Astrónomos atingiram um impasse fundamental na sua compreensão do universo: não podem concordar com a rapidez com que se está a afastar. E a menos que se encontre uma explicação razoável para as suas diferentes estimativas, eles podem ser forçados a repensar completamente as suas ideias sobre tempo e espaço. Só a nova física pode agora explicar o enigma cósmico que descobriram, muitos acreditam.
“Há cinco anos, ninguém na cosmologia estava realmente preocupado com a questão da rapidez com que o universo se estava a expandir. Tomámo-la como certa”, diz o astrofísico Daniel Mortlock, do Imperial College London. “Agora temos de fazer uma grande quantidade de arranhões na cabeça – e muita pesquisa”
p> Esta visão é apoiada pelo astrofísico americano e Prémio Nobel Adam Riess, da Universidade Johns Hopkins. “Penso que esta questão se tornou um grande negócio. Estávamos cada vez melhor a compreender o universo e, no entanto, quanto mais nos aproximávamos, mais encontramos todos estes misteriosos componentes”
Atrás das décadas, estas surpresas incluíram a descoberta de matéria negra – que se crê ser constituída por partículas ainda não detectadas – cuja atracção gravitacional extra explica porque é que as galáxias não voam separadas. Além disso, os astrónomos também descobriram a existência de energia negra, o que está a acelerar o ritmo a que o cosmos se está a expandir.
“Estas duas descobertas foram suficientemente notáveis”, acrescenta Riess que ganhou o seu Nobel pelo seu envolvimento na descoberta da energia negra. “Mas agora estamos perante o facto de que pode haver um terceiro fenómeno que tínhamos negligenciado – embora ainda não tenhamos realmente a menor ideia do que possa ser”
Os cientistas aperceberam-se pela primeira vez que o universo se estava a expandir nos anos 20, quando o astrónomo americano Edwin Hubble descobriu que quanto maior a distância entre duas galáxias, mais rápido se estão a afastar. Esta continua a ser uma das descobertas científicas mais importantes jamais feitas.
Uma maneira de pensar sobre este fenómeno é imaginar um pão de fruta que está a ser cozinhado num forno. À medida que a sua massa sobe e se expande, as passas e as sultanas incrustadas no interior do pão afastam-se mais umas das outras. O universo é como aquele pão de fruta. Está a expandir-se e a fazer com que as galáxias – as passas e as sultanas nele embutidas – se afastem umas das outras.
Mas se o universo estava a ficar cada vez maior, uma questão-chave permaneceu: qual é a taxa exacta desta expansão? Com que rapidez está o cosmos a afastar-se? Ou, para ser mais preciso: qual é o valor exacto da constante Hubble, uma vez que a velocidade da expansão do universo foi posteriormente denominada? É um valor muito importante e muito procurado porque nos dirá muito sobre a origem, idade, evolução e, em última análise, o destino, do cosmos. Daí o esforço que os astrónomos fizeram no século passado para encontrar uma resposta precisa.
Estas observações basearam-se, no entanto, em duas abordagens muito diferentes. Uma tem-se centrado no comportamento das galáxias perto da nossa própria galáxia, a Via Láctea, e tem envolvido cientistas a trabalhar – com crescente precisão – a rapidez com que se estão a afastar uns dos outros. “Esta é a abordagem local”, diz Riess, cujo próprio trabalho se concentrou em tentar aperfeiçoar a medição das distâncias entre galáxias na nossa região do universo. (Ver “Hubble’s constant and Henrietta Leavitt”, abaixo.)
O outro método para estabelecer a constante Hubble envolveu astrónomos que olham para o padrão ondulante da luz, chamado fundo cósmico de microondas, que se formou logo após o nascimento do big bang do cosmos há 13,8 mil milhões de anos. Este fundo tem sido pesquisado com crescente precisão por satélites americanos e europeus – mais recentemente pelo observatório Planck da Agência Espacial Europeia – e estas observações têm permitido aos cientistas construir um modelo que tem em conta a energia escura e a matéria escura e que mostra como o crescimento inicial do universo teria provavelmente produzido uma expansão que os astrónomos podem medir hoje.
E até muito recentemente, estas duas abordagens diferentes produziram estimativas que pareciam ser consistentes uma com a outra, embora houvesse incertezas consideráveis associadas a ambas as medições. “A melhor aposta de todos era que a diferença entre as duas estimativas se devia apenas ao acaso, e que os dois valores convergiriam à medida que mais e mais medições fossem feitas”, diz Mortlock. Por outras palavras, como os dois valores eram testados com cada vez maior precisão, as suas diferenças desapareceriam.
Felizmente para os astrónomos que procuram uma solução simples para o problema, isto não aconteceu. “De facto, ocorreu o contrário”, diz Mortlock, que também está baseado na Universidade de Estocolmo. “A discrepância tornou-se mais forte. A estimativa da constante de Hubble que tinha o valor mais baixo tem ficado um pouco mais baixa ao longo dos anos e a que era um pouco mais alta ficou ainda maior”
Hoje em dia, aqueles que usam Planck e dados cósmicos de fundo para obter um valor para a constante de Hubble obtêm um valor de 67,4 mais ou menos 0,5. Em contraste, a abordagem local dá um valor de 73,5 mais ou menos 1,4. Estes valores representam os dois valores diferentes que temos para a expansão do universo. (Ver “Uma questão de métrica”, abaixo.)
A disparidade pode não parecer grande, mas é significativa. Dizem que há agora menos de uma em cada 100.000 hipóteses de que esta diferença possa ser contabilizada por acaso. “Isto não são apenas duas experiências que discordam”, diz Riess. “Estamos a medir algo fundamentalmente diferente”. Uma é uma medida da rapidez com que o universo se está a expandir hoje em dia, tal como o vemos”. A outra é uma previsão baseada na física do universo primitivo e em medições da velocidade a que este deveria estar a expandir-se. E estas medições foram agora corroboradas independentemente por outros grupos, de modo que a discrepância não depende de nenhuma ferramenta ou de nenhuma equipa.
“E se estes valores não estiverem de acordo, isso significa que há uma forte probabilidade de que nos falte um factor no modelo cosmológico que liga as duas eras”. Em suma, algo parece estar ausente da nossa compreensão do universo e a constante Hubble tornou-se o foco de uma batalha disputada para descobrir a natureza desta influência invisível.
Para começar, a diferença entre dois valores tem implicações para a idade do universo, despojando mais de mil milhões de anos da sua existência num caso. “Mudar a constante Hubble de 67,4 para 73,5 significaria que ela deve ter-se afastado mais rapidamente do que se supunha anteriormente e, portanto, deve ser mais nova do que a sua idade actualmente aceite de 13,8 mil milhões de anos”, diz Mortlock. “De facto, reduziria para 12,7 mil milhões de anos”
E isto causa problemas. Há algumas estrelas muito antigas no universo que estimaram idades de cerca de 12 mil milhões de anos, e isto torna um pouco difícil uma cronologia cósmica revalorizada. Afinal de contas, as estrelas levam muito tempo a formar.
No entanto, esta não é a verdadeira questão, diz Mortlock. “O problema básico é que ter duas figuras diferentes para a constante de Hubble medidas a partir de perspectivas diferentes iria simplesmente invalidar o modelo cosmológico que fizemos do universo. Assim, não seríamos capazes de dizer qual era a idade do universo até termos corrigido a nossa física”
Por causa das corroborações independentes, Riess tornou-se mais confiante de que deve haver uma discrepância fundamental envolvida, que não se deve a falhas metodológicas ou erros nas observações mas sim a uma característica do nosso universo da qual os cientistas não tiveram qualquer indício prévio. “Penso que há algo de interessante a acontecer”, diz ele. “E não considero interessantes os erros de medição”
Mas se o erro de medição já não pode ser considerado uma causa das diferenças nos valores constantes de Hubble, que novos conceitos poderiam explicar esta discrepância? Os astrónomos já apresentaram uma série de sugestões.
Uma ideia propõe que o universo contenha uma nova classe de partícula subatómica que viaja próximo da velocidade da luz. Estas entidades são chamadas radiação escura e poderiam também incluir partículas já conhecidas, como os neutrinos. Estas afectariam a velocidade de expansão do universo.
Outra ideia é que houve um episódio especial e intenso de energia escura não muito depois do big bang, que expandiu o universo mais rapidamente do que os astrónomos tinham apreciado anteriormente.
E finalmente há a possibilidade de as partículas que compõem a matéria escura interagirem mais fortemente com a matéria normal do que anteriormente se supunha. Mais uma vez, isto teria um impacto na constante de Hubble.
Nada todos os cientistas estão na lua sobre a perspectiva de que uma destas propostas é a resposta ao seu dilema de medição e ainda esperam que no final seja possível conciliar os dois valores que obtêm para a constante de Hubble. Este ponto é sublinhado por Mortlock. “Já descobrimos que o nosso universo é dominado por matéria escura e por energia escura cujos efeitos podemos observar, mas cuja natureza básica é um mistério. São dois enormes pontos de interrogação que já pairam sobre a nossa compreensão do cosmos. Pessoalmente, não sinto a necessidade de um terceiro”
Pela sua parte, Riess tem uma visão um pouco mais optimista. “Não somos feitos de matéria escura ou energia escura, mas descobrimos a sua existência apesar de, intuitivamente, não fazerem parte da nossa experiência de vida na Terra. Isto sugere que estamos a caminhar na direcção certa na compreensão do universo – embora possa ser apenas que tenhamos pelo menos mais um passo a dar.”
constante de Henrietta Leavitt e Henrietta Leavitt
As estrelas conhecidas como variáveis do Cepheid desempenharam um papel crítico na nossa compreensão da expansão do universo. Estas estrelas, que são relativamente comuns, variam em luminosidade ao longo de períodos de dias ou semanas. Em 1908 Henrietta Leavitt descobriu que havia uma relação entre o brilho de uma estrela variável de Cepheid e o tempo que levava a passar por um ciclo completo de mudança na sua luminosidade.
Como resultado, ao medir o período de uma variável de Cepheid, tornou-se possível calcular o seu verdadeiro brilho. Depois, ao comparar isto com o seu brilho aparente, os astrónomos podiam calcular a distância da estrela – e a galáxia em que se encontra. Hubble usou este entendimento no seu trabalho para calibrar as distâncias cosmológicas, e Cefheids hoje em dia continuam a fornecer a calibração chave para as distâncias astronómicas para o método local de cálculo da constante de Hubble.
Uma matéria de métrica
Uma constante de Hubble de 70 significaria que o universo está a expandir-se a uma taxa de 70 quilómetros por segundo por megaparsec. Para compreender o que isto significa, é preciso primeiro compreender que um parsec é uma medida de distância astronómica e que um megaparsec é o equivalente a um milhão de parsecs. Por sua vez, há 3,3 anos-luz a um parsec, pelo que um megaparsec é o equivalente a 3,3m anos-luz. Assim, por cada 3,3m anos-luz que uma galáxia se afasta de nós, deslocar-se-á mais 70 quilómetros (43,5 milhas) por segundo mais depressa de nós, como resultado da expansão do universo.
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