A energia escura, a misteriosa força que se acredita impulsionar a expansão acelerada do universo, continua sendo um dos enigmas mais profundos da física moderna. Por anos, a explicação predominante foi que essa energia é constante — uma propriedade imutável do espaço vazio responsável pela aceleração cósmica. No entanto, evidências recentes têm levado os cientistas a repensar essa suposição.
No ano passado, os resultados do Dark Energy Survey (DES) e do Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) chamaram a atenção dos cosmologistas ao sugerir que a energia escura pode não ser fixa após tudo. “Esta seria nossa primeira indicação de que a energia escura não é a constante cosmológica introduzida por Einstein há mais de 100 anos, mas um novo fenômeno dinâmico”, explicou Josh Frieman, Professor Emérito de Astronomia e Astrofísica.
Nova Análise Aponta para uma Força em Evolução
Em um estudo publicado na Physical Review D em setembro, Frieman e Anowar Shajib, um Bolsista da NASA Hubble Fellowship Program em Astronomia e Astrofísica, analisaram uma ampla gama de dados cosmológicos existentes. As descobertas deles indicam que modelos dinâmicos e variáveis no tempo de energia escura se ajustam melhor às observações atuais do que o modelo da constante cosmológica de longa data.
Shajib é especialista em cosmologia observacional e evolução de galáxias, aplicando lentes gravitacionais fortes para medir a constante de Hubble e restringir os parâmetros da energia escura. O trabalho de Frieman também se concentra na cosmologia observacional, utilizando grandes levantamentos do céu, como o Sloan Digital Sky Survey (SDSS) e o DES, para estudar a origem, estrutura e destino do universo, enquanto investiga a força misteriosa que impulsiona sua expansão acelerada.
A Universidade de Chicago conversou com Shajib e Frieman sobre suas descobertas, o que esses novos modelos podem significar para nossa compreensão da evolução cósmica e como observações futuras podem revelar se a energia escura realmente muda com o tempo.
Por que a energia escura é significativa no estudo do universo?
Frieman: Agora sabemos exatamente quanto de energia escura existe no universo, mas não temos uma compreensão física de o que é. A hipótese mais simples é que é a energia do próprio espaço vazio, caso em que seria imutável ao longo do tempo, uma noção que remonta a Einstein, Lemaitre, de Sitter e outros no início do século passado. É um pouco embaraçoso que tenhamos pouca ou nenhuma ideia do que 70% do universo é. E, seja o que for, isso determinará a futura evolução do universo.
Quais descobertas recentes levaram os cosmologistas a considerar que a energia escura pode estar evoluindo?
Shajib: Embora haja interesse na natureza dinâmica da energia escura desde sua descoberta nos anos 90 para resolver algumas discrepâncias observacionais, até recentemente, a maioria dos principais e robustos conjuntos de dados era consistente com um modelo de energia escura não evolutiva, que é aceito como a cosmologia padrão. No entanto, o interesse por uma energia escura em evolução foi reavivado vigorosamente no ano passado a partir da combinação de dados de supernovas, oscilações acústicas de bárions e fundo cósmico de micro-ondas dos experimentos DES, DESI e Planck. Essa combinação de conjuntos de dados indicou uma forte discrepância com o modelo padrão de energia escura não evolutiva. A característica interessante da energia escura não evolutiva é que sua densidade permanece constante ao longo do tempo, mesmo com a expansão do espaço. No entanto, para o modelo de energia escura em evolução, a densidade da energia escura mudará com o tempo.
Frieman: Os dados desses levantamentos nos permitem inferir a história da expansão cósmica — quão rápido o universo tem se expandido em diferentes épocas do passado. Se a energia escura evolui no tempo, essa história será diferente do que se a energia escura for constante. Os resultados da história da expansão cósmica sugerem que, nos últimos bilhões de anos, a densidade da energia escura diminuiu cerca de 10 por cento — não muito, e muito menos do que as densidades de outras matérias e energias, mas ainda assim significativo.
Qual foi o objetivo deste estudo e quais foram os resultados gerais?
Shajib e Frieman: O objetivo deste estudo é comparar as previsões de um modelo físico para a energia escura em evolução com os últimos conjuntos de dados e inferir as propriedades físicas da energia escura a partir dessa comparação. O “modelo” de energia escura em evolução usado na maioria das análises de dados anteriores é apenas uma fórmula matemática que não está restrita a se comportar como os modelos físicos fazem. No nosso artigo, comparamos diretamente modelos baseados em física para a energia escura em evolução com os dados e descobrimos que esses modelos descrevem os dados atuais melhor do que o modelo padrão de energia escura não evolutiva. Também mostramos que levantamentos futuros, como o DESI e o Vera Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST), poderão nos dizer de forma definitiva se esses modelos estão corretos ou se, em vez disso, a energia escura realmente é constante.
Descreva os modelos apresentados e por que eles explicam melhor o comportamento da energia escura em comparação com os modelos existentes.
Frieman: Esses modelos são baseados em teorias de física de partículas de partículas hipotéticas chamadas axions. Os axions foram previstos pela primeira vez por físicos na década de 1970, que buscavam explicar certos recursos observados nas interações fortes. Hoje, os axions são considerados candidatos plausíveis para a matéria escura, e experimentos em todo o mundo estão ativamente procurando por eles, incluindo físicos do Fermilab e da Universidade de Chicago.
Os modelos em nosso artigo são baseados em uma versão ultra-leve diferente do axion que atuaria como energia escura e não como matéria escura. Nestes modelos, a energia escura, de fato, seria constante nos primeiros bilhões de anos da história cósmica, mas o axion começaria a evoluir — como uma bola em um campo inclinado que é liberada do repouso e começa a rolar — e sua densidade diminuiria lentamente, o que é o que os dados parecem preferir. Assim, os dados sugerem a existência de uma nova partícula na natureza que é cerca de 38 ordens de magnitude mais leve que o elétron.
Quais são as implicações dessas descobertas para a compreensão da expansão cósmica?
Shajib: Nesses modelos, a densidade da energia escura diminui com o tempo. A energia escura é a razão para a aceleração da expansão do universo, então, se sua densidade diminui, a aceleração também diminuirá com o tempo. Se considerarmos o futuro muito distante do universo, diferentes características da energia escura podem levar a diferentes resultados. Dois extremos desses resultados são o Big Rip, onde a própria aceleração da expansão se acelera a ponto de despedaçar tudo, até mesmo átomos, e o Big Crunch, onde o universo para de se expandir em algum momento e recai sobre si mesmo, o que parecerá um Big Bang reverso. Nossos modelos sugerem que o universo evitará ambos esses extremos: ele sofrerá uma expansão acelerada por bilhões de anos, resultando em um universo frio e escuro — um Big Freeze.
Esses resultados poderiam ter outras implicações, menos aparentes?
Frieman: As únicas implicações práticas que consigo imaginar são as tecnologias que precisamos desenvolver para explorar essas ideias mais a fundo — construir novos telescópios, lançar novos satélites ou desenvolver detectores inovadores, por exemplo. Esses desenvolvimentos provavelmente terão um impacto muito maior em nossas vidas do que eventos que acontecerão trilhões de anos no futuro.
O que mais te empolga sobre esses resultados?
Shajib: Para este artigo, reunimos todos os principais conjuntos de dados — do DES, DESI, SDSS, Time-Delay COSMOgraphy, Planck e do Atacama Cosmology Telescope — e os combinamos para obter a medição mais restritiva da energia escura até o momento. Todas essas medições vêm de extensas experiências, então, de certa forma, representam o conhecimento coletivo que a comunidade cosmológica reuniu como um todo.
Frieman: Quando começamos a trabalhar no DES em 2003, nosso objetivo era restringir as propriedades da energia escura para determinar se era constante ou muda. Nas últimas duas décadas, os dados indicaram que era constante. Quase desistimos dessa questão porque os dados consistentemente apoiaram essa suposição. No entanto, agora temos a primeira dica em mais de 20 anos de que a energia escura pode estar mudando, e se estiver evoluindo, deve ser algo novo, o que mudaria nossa compreensão da física fundamental. Essa sensação é semelhante à em que estávamos no início. Ainda pode acabar que essas dicas estejam incorretas, mas podemos estar à beira de responder essa questão, e isso é bastante empolgante.
