1104: ‘Mundo-espelho’ fantasma pode explicar mistério cósmico

CIÊNCIA/COSMOLOGIA/UNIVERSO

Novas pesquisas sugerem que um “mundo-espelho” invisível de partículas que interagem com o nosso mundo apenas por meio da gravidade pode ser a chave para resolver um grande quebra-cabeça na cosmologia actual: o problema da constante de Hubble.

© Crédito: Stefan Keller/KELLEPICS/Pixabay
‘Mundo-espelho’ fantasma pode explicar mistério cósmico

A constante de Hubble é a taxa de expansão do universo hoje. As previsões para essa taxa – do modelo padrão da cosmologia – são significativamente mais lentas do que a taxa encontrada por nossas medições locais mais precisas. Essa discrepância é uma que muitos cosmólogos têm tentado resolver mudando nosso modelo cosmológico atual. O desafio é fazer isso sem arruinar o acordo entre as previsões do modelo padrão e muitos outros fenómenos cosmológicos, como o fundo cósmico de micro-ondas.

Determinar se tal cenário cosmológico existe é a questão que pesquisadores, incluindo Francis-Yan Cyr-Racine, professor assistente do Departamento de Física e Astronomia da Universidade do Novo México, e Fei Ge e Lloyd Knox, da Universidade da Califórnia em Davis (ambas nos EUA), vêm tentando responder. Sua recente pesquisa sobre o tema foi publicada na revista Physical Review Letters.

Do nascimento à morte do universo

Segundo a NASA, cosmologia é o estudo científico das propriedades em larga escala do universo como um todo. Os cosmólogos estudam conceitos como matéria escura e energia escura e se existe um universo ou muitos, às vezes chamados de multiverso. A cosmologia envolve todo o universo, desde o nascimento até a morte, com mistérios e intrigas a cada passo.

Cyr-Racine, Ge e Knox descobriram uma propriedade matemática anteriormente despercebida dos modelos cosmológicos que poderia, em princípio, permitir uma taxa de expansão mais rápida, enquanto dificilmente alterava as outras previsões testadas com mais precisão do modelo cosmológico padrão. Eles descobriram que uma escala uniforme das taxas de queda livre gravitacional e taxa de dispersão de fóton-eléctron deixa a maioria dos factores observáveis ​​cosmológicos adimensionais quase constantes.

“Basicamente, apontamos que muitas das observações que fazemos em cosmologia têm uma simetria inerente ao redimensionar o universo como um todo. Isso pode fornecer uma maneira de entender por que parece haver uma discrepância entre as diferentes medições da taxa de expansão do universo.”

Este resultado abre uma nova abordagem para reconciliar observações de fundo cósmico em micro-ondas e estruturas em larga escala com altos valores da constante de Hubble: encontre um modelo cosmológico no qual a transformação de escala possa ser realizada sem violar quaisquer medidas de quantidades não protegidas pela simetria. Esse trabalho abriu um novo caminho para resolver o que provou ser um problema desafiador. A construção de modelos adicionais pode trazer consistência com as duas restrições ainda não satisfeitas: as abundâncias primordiais inferidas de deutério (forma mais pesada do hidrogénio) e hélio.

Impacto gravitacional

Se o universo está de alguma forma explorando essa simetria, os pesquisadores são levados a uma conclusão extremamente interessante: que existe um universo-espelho muito semelhante ao nosso, mas invisível para nós, excepto pelo impacto gravitacional em nosso mundo. Esse sector escuro do “mundo-espelho” permitiria uma escala efectiva das taxas de queda livre gravitacional, respeitando a densidade média de fótons medida com precisão hoje.

“Na prática, essa simetria de escala só poderia ser realizada incluindo um mundo-espelho no modelo – um universo paralelo com novas partículas que são todas cópias de partículas conhecidas”, disse Cyr-Racine. “A ideia do mundo-espelho surgiu pela primeira vez na década de 1990, mas não foi reconhecida anteriormente como uma solução potencial para o problema da constante de Hubble.

“Isso pode parecer loucura, mas esses mundos-espelho têm uma grande literatura na física em um contexto completamente diferente, pois podem ajudar a resolver problemas importantes na física de partículas”, prosseguiu Cyr-Racine. “Nosso trabalho nos permite vincular, pela primeira vez, essa grande literatura a um importante problema em cosmologia.”

Erros de medição

Além de procurarem ingredientes ausentes em nosso modelo cosmológico atual, os pesquisadores também estão se perguntando se essa discrepância da constante de Hubble pode ser causada em parte por erros de medição. Embora isso continue a ser uma possibilidade, é importante notar que a discrepância se tornou cada vez mais significativa à medida que dados de maior qualidade foram incluídos nas análises, sugerindo que os dados podem não estar errados.

“[A discrepância] Passou de 2,5 Sigma para 3 e de 3,5 para 4 Sigma. Até agora, estamos praticamente no nível 5 Sigma”, disse Cyr-Racine. “Esse é o número-chave que torna isso um problema real porque você tem duas medidas da mesma coisa – se você tem uma imagem consistente do universo ela deveria ser completamente consistente uma com a outra, mas elas diferem em uma quantidade muito significativa estatisticamente.”

“Essa é a premissa aqui e estamos pensando sobre o que poderia estar causando isso e por que essas medidas são discrepantes? Então, esse é um grande problema para a cosmologia. Nós simplesmente não parecemos entender o que o universo está fazendo hoje.”

MSN Notícias
25.05.2022 às 11:59


 

600: Um estudo sem precedentes das massas de mais de 500 enxames de galáxias

CIÊNCIA/ASTRONOMIA/COSMOLOGIA/ASTROFÍSICA

imagem do enxame de galáxias Abell 370. O centro do enxame encontra-se na parte superior direita da imagem. Na mesma zona podem-se ver as imagens de galáxias ampliadas por lentes gravitacionais, algumas delas mostrando morfologias altamente deformadas e alongadas, que são denominadas arcos.
Crédito: GRANTECAN/SHARDS Frontier Fields

Uma equipa de investigadores do grupo de cosmologia do IAC (Instituto de Astrofísica de Canarias) obteve uma das medições mais precisas das massas de enxames de galáxias e da sua relação com a quantidade de gás quente nesses enxames. Para tal, estudaram a dinâmica das galáxias em 570 enxames seleccionados a partir do catálogo produzido pelo satélite Planck da ESA.

Este estudo foi produzido durante quatro anos de trabalho, no qual mais de 10.000 espectros foram obtidos com o TNG (Telescopio Nazionale Galileo) e com o GTC (Gran Telescopio Canarias) no Observatório Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma, Ilhas Canárias), bem como dados do arquivo público do SDSS (Sloan Digital Sky Survey). O resultado permite aos investigadores inferir a quantidade de matéria escura no Universo.

Os enxames de galáxias são as maiores estruturas gravitacionalmente ligadas do Universo. A medição das suas distribuições no espaço e no tempo fornece uma das formas mais poderosas da cosmologia moderna para determinar a origem e o conteúdo energético do Universo, o seu ritmo de expansão durante a evolução cósmica e os detalhes do processo de formação de toda a estrutura em grande escala que podemos observar no Universo actual.

Estes enormes aglomerados não são constituídos apenas por galáxias, que na realidade compreendem menos de 2% da sua massa total. Além disso, contêm gás extremamente quente, que constitui cerca de 15% da massa, e uma grande quantidade de matéria escura que constitui mais de 80% da massa total. A natureza “multi-componente” dos enxames galácticos significa que podem ser estudados utilizando uma grande variedade de técnicas de observação. Ao passo que o gás quente pode ser observado em raios-X e em micro-ondas, o componente galáctico é principalmente observável no óptico e no infravermelho.

Mas para estudar a distribuição da matéria escura precisamos de utilizar vários métodos indirectos. Geralmente, a massa total (que inclui a componente escura) é muitas vezes traçada utilizando o efeito de lente gravitacional produzido pela maior concentração de massa nos enxames sobre imagens de objectos que ficam por trás, a partir do nosso ponto de vista. Estas medições dão geralmente uma elevada precisão. Contudo, este novo estudo utilizou as medições das velocidades das galáxias para deduzir a gravidade total dos enxames e atingiu pela primeira vez uma precisão comparável às das medições utilizando lentes gravitacionais.

Utilizando mapas de micro-ondas do satélite Planck também foi possível estimar a massa do gás nos enxames e, indirectamente, derivar a massa total. Devemos esperar que as massas de todas as técnicas sejam iguais, dando um único valor para a massa de qualquer enxame. Mas isto não acontece, porque cada técnica sofre de dificuldades intrínsecas específicas. Mesmo assim, ao comparar os resultados, as diferenças podem ser medidas com bastante precisão, e assim as verdadeiras massas dos enxames de galáxias podem ser mais bem conhecidas.

Marco histórico na precisão das medições

Com este objectivo em mente, a equipa de investigadores usou os dois catálogos PSZ1 e PSZ2 de enxames de galáxias detectados pelo satélite Planck usando os seus sinais de micro-ondas, o que fornece uma estimativa das massas dos enxames utilizando os sinais de micro-ondas. Além disso, as massas dinâmicas dos enxames foram estimadas através da medição das velocidades radiais das galáxias utilizando a espectroscopia. Estas observações foram feitas com o TNG (Telescopio Nazionale Galileo) e com o GTC (Gran Telescopio Canarias) no Observatório Roque de los Muchachos. “Fizemos um grande esforço de observação durante vários anos, explorando mais de 400 enxames de galáxias dos catálogos PSZ1 e PSZ2,” comenta Rafael Barrena, astrofísico do IAC e membro da equipa de observação.

“Os resultados obtidos do catálogo PSZ1 do Planck mostram que as estimativas de massa utilizando os seus valores de produção de gás são cerca de 20% mais baixos do que aquelas baseadas na dinâmica das suas galáxias,” explica Antonio Ferragamo, investigador do IAC que baseou a sua tese de doutoramento neste trabalho. “Estes resultados são confirmados para os enxames no catálogo PSZ2 do Planck e são compatíveis com medições de outros autores que aplicaram técnicas diferentes (raios-X, lentes gravitacionais, etc.)”, acrescenta.

Alejandro Aguado, investigador do IAC que também baseou a sua tese de doutoramento nos resultados deste trabalho, salienta que “a importância do estudo é, por um lado, a alta precisão obtida através da medição dinâmica da massa, com um erro inferior a 10% que é um marco histórico nas medições desta quantidade e, por outro lado, a coerência com os valores estimados pelo consórcio Planck. Neste momento, muito poucas medições dão um erro estatístico tão baixo e isto deve-se ao grande número de enxames utilizados na amostra.”

Novas questões em Cosmologia

A partir de uma perspectiva cosmológica, a confirmação destes valores coloca-nos novas questões. “A partir dos dados do satélite Planck verificamos que existe uma aparente discordância entre a quantidade de matéria escura no Universo, prevista utilizando as medições da abundância de enxames de galáxias e entre aquela inferida a partir dos mapas do fundo cósmico de micro-ondas, a radiação fóssil remanescente da origem do Universo,” explica José Alberto Rubiño, astrofísico do IAC e membro do grupo de investigação. “Os valores da matéria escura inferidos a partir das abundâncias de enxames de galáxias são 5% maiores do que os baseados em medições da radiação micro-ondas de fundo, e por sua vez estas últimas medições indicam que a quantidade de enxames de galáxias que detectámos deveria ter sido ligeiramente maior,” diz.

Os resultados encontrados no presente estudo, recentemente publicado na revista da especialidade Astronomy & Astrophysics, mostram que as abundâncias de enxames galácticos e os dados da radiação cósmica de fundo levam a modelos cosmológicos ligeiramente diferentes, uma discordância já antecipada pela colaboração Planck. “Se a diferença entre as massas inferidas utilizando o gás e as massas dinâmicas tivesse sido cerca de 35%, em vez dos 20% que medimos, esta ligeira tensão entre os modelos cosmológicos reconstruidos teria desaparecido,” realça Rubiño. “A resolução desta discrepância poderia dar-nos uma ferramenta para determinar, no futuro, a massa dos neutrinos através dos seus efeitos na cosmologia, ou mesmo mostrar-nos que precisamos de modificar o modelo cosmológico padrão, ou até a Relatividade Geral,” sublinha o investigador.

“Explicar esta aparente discrepância é uma das principais questões da cosmologia actual, que ainda existe depois do nosso trabalho e que terá de ser investigada nos próximos anos,” diz Barrena. “Missões espaciais como a EUCLID (ESA) ou a Litebird (JAXA/ESA), nas quais o IAC é participante activo, vão desempenhar um papel essencial num futuro muito próximo,” conclui.

Astronomia On-line
18 de Fevereiro de 2022