Jennifer Chu | MIT News
Um novo estudo realizado por físicos do MIT propõe que uma força misteriosa conhecida como energia escura inicial poderia resolver dois dos maiores enigmas da cosmologia e preencher algumas lacunas importantes em nossa compreensão de como o universo inicial evoluiu.
Um dos quebra-cabeças em questão é a “tensão de Hubble”, que se refere a um descompasso nas medições da velocidade com que o universo está se expandindo. O outro envolve observações de inúmeras galáxias iniciais e brilhantes que existiam em uma época em que o universo primitivo deveria ser muito menos povoado.
Agora, a equipe do MIT descobriu que ambos os enigmas poderiam ser resolvidos se o universo primitivo tivesse um ingrediente extra e fugaz: a energia escura primitiva. A energia escura é uma forma desconhecida de energia que os físicos suspeitam estar impulsionando a expansão do universo atual. A energia escura primitiva é um fenômeno semelhante e hipotético que pode ter tido apenas uma breve aparição, influenciando a expansão do universo em seus primeiros momentos antes de desaparecer completamente.
Alguns físicos suspeitam que a energia escura inicial poderia ser a chave para resolver a tensão do Hubble, pois a força misteriosa poderia acelerar a expansão inicial do universo em uma quantidade que resolveria a incompatibilidade de medição.
Os pesquisadores do MIT agora descobriram que a energia escura precoce também pode explicar o número surpreendentemente alto de galáxias brilhantes que os astrônomos observaram no universo primordial. Em seu novo estudo, publicado no Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, a equipe modelou a formação de galáxias nos primeiros poucos bilhões de anos do universo. Quando incorporaram um componente de energia escura apenas naquele primeiro fragmento de tempo, descobriram que o número de galáxias que surgiram do ambiente primordial aumentou para se adequar às observações dos astrônomos.
“Você tem esses dois enigmas em aberto,” diz Rohan Naidu, coautor do estudo e pós-doutorando no Kavli Institute for Astrophysics and Space Research do MIT. “Descobrimos que, de fato, a energia escura precoce é uma solução muito elegante e rara para dois dos problemas mais prementes da cosmologia.”
Os coautores do estudo incluem o autor principal e pós-doutorando do Kavli Xuejian (Jacob) Shen, e o professor de física do MIT Mark Vogelsberger, juntamente com Michael Boylan-Kolchin da Universidade do Texas em Austin, e Sandro Tacchella da Universidade de Cambridge.
Grandes luzes da cidade
Baseado nos modelos cosmológicos e de formação de galáxias padrão, o universo teria levado seu tempo para formar as primeiras galáxias. Teria levado bilhões de anos para que o gás primordial se coalescesse em galáxias tão grandes e brilhantes quanto a Via Láctea.
Mas, em 2023, o Telescópio Espacial James Webb (JWST) da NASA fez uma observação surpreendente. Com a capacidade de observar mais longe no tempo do que qualquer outro observatório até hoje, o telescópio descobriu um número surpreendente de galáxias brilhantes tão grandes quanto a Via Láctea moderna nos primeiros 500 milhões de anos, quando o universo tinha apenas 3% de sua idade atual.
“As galáxias brilhantes que o JWST viu seriam como ver uma concentração de luzes em torno de grandes cidades, enquanto a teoria prevê algo mais parecido com a luz ao redor de ambientes rurais, como o Parque Nacional de Yellowstone,” diz Shen. “E não esperamos essa concentração de luz tão cedo.”
Para os físicos, as observações implicam que há algo fundamentalmente errado com a física subjacente aos modelos ou um ingrediente faltante no universo primitivo que os cientistas ainda não consideraram. A equipe do MIT explorou a possibilidade de que o ingrediente faltante possa ser a energia escura primordial.
Os físicos propuseram que a energia escura primordial é uma espécie de força antigravitacional que é ativada apenas em tempos muito iniciais. Essa força contrabalançaria a atração gravitacional para dentro e aceleraria a expansão precoce do universo, de uma forma que resolveria a discrepância nas medições. Portanto, a energia escura primordial é considerada a solução mais provável para a tensão de Hubble.
Esqueleto de galáxia
A equipe do MIT explorou se a energia escura inicial também poderia ser a chave para explicar a população inesperada de galáxias grandes e brilhantes detectadas pelo JWST. Em seu novo estudo, os físicos analisaram como a energia escura inicial poderia afetar a estrutura inicial do universo que deu origem às primeiras galáxias. Eles se concentraram na formação de halos de matéria escura – regiões do espaço onde a gravidade é mais forte e onde a matéria começa a se acumular.
“Acreditamos que os halos de matéria escura são o esqueleto invisível do universo”, explica Shen. “As estruturas de matéria escura se formam primeiro e, em seguida, as galáxias se formam dentro dessas estruturas. Portanto, esperamos que o número de galáxias brilhantes seja proporcional ao número de grandes halos de matéria escura.”
A equipe desenvolveu uma estrutura empírica para a formação inicial de galáxias, que prevê o número, a luminosidade e o tamanho das galáxias que devem se formar no universo primitivo, considerando algumas medidas de “parâmetros cosmológicos”. Os parâmetros cosmológicos são os ingredientes básicos, ou termos matemáticos, que descrevem a evolução do universo.
Os físicos determinaram que há pelo menos seis parâmetros cosmológicos principais, um dos quais é a constante de Hubble – um termo que descreve a taxa de expansão do universo. Outros parâmetros descrevem as flutuações de densidade na sopa primordial, imediatamente após o Big Bang, a partir da qual os halos de matéria escura acabam se formando.
A equipe do MIT argumentou que, se a energia escura inicial afetar a taxa de expansão inicial do universo, de forma a resolver a tensão de Hubble, ela poderá afetar o equilíbrio dos outros parâmetros cosmológicos, de forma a aumentar o número de galáxias brilhantes que aparecem em épocas iniciais. Para testar sua teoria, eles incorporaram um modelo de energia escura inicial (o mesmo que resolve a tensão de Hubble) em uma estrutura empírica de formação de galáxias para ver como as primeiras estruturas de matéria escura evoluem e dão origem às primeiras galáxias.
“O que mostramos é que a estrutura do esqueleto do universo primitivo é alterada de forma sutil, onde a amplitude das flutuações aumenta, e você obtém halos maiores e galáxias mais brilhantes que estão presentes em momentos anteriores, mais do que em nossos modelos mais simples”, diz Naidu. “Isso significa que as coisas eram mais abundantes e mais agrupadas no universo primitivo.”
“A priori, eu não esperava que a abundância das primeiras galáxias brilhantes do JWST tivesse algo a ver com a energia escura inicial, mas a observação de que a EDE empurra os parâmetros cosmológicos em uma direção que aumenta a abundância das primeiras galáxias é interessante”, diz Marc Kamionkowski, professor de física teórica da Universidade Johns Hopkins, que não participou do estudo. “Acho que será necessário trabalhar mais para estabelecer uma ligação entre as galáxias primitivas e a EDE, mas, independentemente do resultado, é uma tentativa inteligente e, espera-se, frutífera”.
“Demonstramos o potencial da energia escura inicial como uma solução unificada para os dois principais problemas enfrentados pela cosmologia. Isso pode ser uma evidência de sua existência se as descobertas observacionais do JWST se consolidarem ainda mais”, conclui Vogelsberger. “No futuro, poderemos incorporar isso em grandes simulações cosmológicas para ver quais previsões detalhadas serão obtidas.”
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Sua pesquisa foi apoiada, em parte, pela NASA e pela National Science Foundation.
Reproduzido com permissão do MIT News.
