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

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

Teoria da relatividade geral de Albert Einstein tem sido notavelmente bem-sucedido na descrição da gravidade de estrelas e planetas, mas não parece aplicar-se perfeitamente em todas as escalas.

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

No entanto, lacunas no nosso entendimento começam a aparecer quando tentamos aplicá-lo a distâncias extremamente pequenas, onde as leis da mecânica quântica operamou quando tentamos descrever o universo inteiro.

Nosso novo estudo, publicado em Astronomia da Naturezajá testou a teoria de Einstein na maior das escalas.

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

Modelo com defeito?

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

No entanto, segundo Einstein, a energia do vácuo tem uma gravidade repulsiva – ela separa o espaço vazio. Curiosamente, em 1998, descobriu-se que a expansão do Universo está de facto a acelerar (uma descoberta premiada com o prémio 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 grandeza menor do que o previsto pela teoria quântica.

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 a 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 assumir que ela existe para explicar a expansão do Universo.

Da mesma forma, também precisamos de assumir que existe um tipo de presença de matéria invisível, apelidada de matéria escura, para explicar como as galáxias e aglomerados evoluíram para serem a forma como os observamos hoje.

Estas suposições estão incorporadas na teoria cosmológica padrão dos cientistas, chamada modelo lambda de matéria escura fria (LCDM) – sugerindo que há 70% de energia escura, 25% de matéria escura e 5% de matéria comum no cosmos. E este modelo tem sido notavelmente bem sucedido em ajustar todos os dados recolhidos pelos cosmólogos ao longo dos últimos 20 anos.

Mas o facto de a maior parte do Universo ser composto por forças e substâncias escuras, assumindo valores estranhos que não fazem sentido, levou muitos físicos a questionarem-se se a teoria da gravidade de Einstein necessita de modificações para descrever todo o Universo.

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

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

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

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

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

Procurando 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 ele prevê que as trajetórias dos raios de luz e da matéria deveriam ser curvadas 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, propusemo-nos, pela primeira vez, a investigar simultaneamente três dos seus aspectos. Estes foram a expansão do Universo, os efeitos da gravidade sobre a luz e os efeitos da gravidade sobre a matéria.

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

Poderíamos estimar os parâmetros usando dados cósmicos de fundo em micro-ondas do satélite Planck, catálogos de supernovas, bem como observações das formas e distribuição de galáxias distantes pelo SDSS e DO telescópios.

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

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

Isto significa que existe, no entanto, a possibilidade de a gravidade funcionar de forma diferente em grandes escalas e de que a teoria da relatividade geral possa precisar de ser ajustada.

Nosso estudo também descobriu que é muito difícil resolver o problema da tensão de Hubble alterando 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 inicial de energia escura, ou campos magnéticos primordiais.

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

Dito isto, o nosso estudo demonstrou que é possível testar a validade da relatividade geral ao longo de distâncias cosmológicas utilizando dados observacionais. Embora ainda não tenhamos resolvido o problema do Hubble, teremos muito mais dados de novas sondas dentro de alguns anos.

Isto significa que seremos capazes de utilizar estes métodos estatísticos para continuar a ajustar a relatividade geral, explorando os limites das modificações, para preparar o caminho para a resolução de alguns dos desafios em aberto na cosmologia.

Kazuya KoyamaProfessor de Cosmologia, Universidade de Portsmouth e Levon PogosianProfessor de Física, Universidade Simon Fraser

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