Durante décadas, a teoria da gravidade, que decorre da relatividade geral,
Neste momento, os pesquisadores descobriram pela primeira vez queO comportamento das galáxias distantes não corresponde às previsões da teoria da gravidade. As distorções do espaço-tempo de aglomerados distantes e sistemas estelares revelaram-se muito mais fortes do que a massa de tais objetos calculada com base em observações.
Mais tarde, no final da década de 1990, pesquisadoresdescobriu outro fato inusitado. Acontece que a taxa de expansão do universo aumenta com o tempo. Esse efeito representou outro desafio à teoria de Albert Einstein: os efeitos gravitacionais da matéria deveriam retardar a expansão do universo, não acelerá-la. O modelo cosmológico moderno - o modelo ΛCDM - encontrou respostas para essas questões, mas os cientistas não perdem a esperança de desafiar o gênio da primeira metade do século XX.
Por que os cientistas pensam que o universo está se expandindo em um ritmo acelerado?
A expansão acelerada do universo foi descoberta em1998 como resultado do trabalho de duas equipes independentes ao mesmo tempo: o Supernova Cosmology Project e o High-Z Supernova Search Group. Ambos os grupos de pesquisa estudaram a aceleração da expansão do Universo analisando explosões estelares distantes.
As supernovas do tipo La têm quase o mesmoluminosidade padrão. Observando o brilho de tais objetos, pode-se determinar a que distância eles estão. Além disso, à medida que o universo se expande, a luz de objetos distantes muda para o lado vermelho do espectro. Ao medir o redshift, pode-se determinar o quanto o universo se expandiu desde que a supernova ocorreu.
Astrofísicos durante estesos experimentos estavam confiantes de que o Universo deveria se expandir a um ritmo mais lento, após o qual o processo deveria parar ou começar a se contrair. Mas o resultado inesperado, a que ambos os grupos de cientistas chegaram de forma independente, foi que o Universo está a expandir-se a um ritmo acelerado.
A expansão do universo foi posteriormente confirmadaOutros métodos. A medição do fundo cosmológico de micro-ondas (vestígios do Big Bang), os efeitos das lentes gravitacionais e a análise das oscilações acústicas dos bárions confirmam a hipótese da expansão do Universo.
Em 2007, ambas as equipes que descobriram o efeito da expansão do Universo receberam o Prêmio Gruber na área de cosmologia e, em 2011, três dos participantes receberam o Prêmio Nobel de Física.
Expansão acelerada do universo. Imagem: NASA, STSci, Ann Feild
Como explicar a expansão acelerada?
Para explicar as observações (a expansão do Universo e a distorção mais forte do espaço-tempo de galáxias distantes), os cientistas introduziram dois novos modelos - matéria escura e energia escura.
A matéria escura é uma forma hipotéticamatéria, que os cientistas acreditam que compõe cerca de 85% da matéria no universo. É chamado de escuro porque não interage de forma alguma com o campo eletromagnético. Em outras palavras, tal matéria não reflete, absorve ou emite luz e outras ondas eletromagnéticas. No entanto, ele tem sua própria massa e, portanto, a influência gravitacional. Adicionar matéria escura a modelos cosmológicos ajuda a explicar a gravidade mais forte de galáxias distantes.
A energia escura é uma forma hipotéticaenergia, ao contrário da matéria escura, pouco se sabe sobre ela. Acredita-se que a energia escura seja muito homogênea, não muito densa e não possa interagir com nenhuma das forças fundamentais além da gravidade. Esta energia está associada à energia do vácuo. Se assumirmos que à medida que o Universo se expande e o espaço livre aumenta, essa energia aumenta, então a transição da expansão uniforme para a expansão acelerada pode ser explicada.
Embora a hipótese da energia escura descreva bemos processos observados no Universo, sua própria existência e interação apenas com o campo gravitacional são difíceis de associar com a teoria da relatividade geral e a teoria da gravitação de Einstein.
Como testar a teoria?
Alguns estudiosos acreditam que se a teoriaa gravidade não pode explicar a energia escura, talvez seja incompleta, e um parâmetro ou variável adicional deve ser adicionado à equação que unirá todas as observações. Para testar essa hipótese, os cientistas procuram no passado sinais de violação da teoria da gravidade.
Um desses trabalhos é a pesquisa internacionalenergia escura usando o Telescópio Victor Blanco de 4 metros no Chile. Os resultados dessa observação foram apresentados em agosto na Conferência Internacional sobre Física de Partículas e Cosmologia (COSMO’22), no Rio de Janeiro.
Os participantes do estudo procuraram evidênciaso fato de que a força da gravidade mudou ao longo da história do universo, ou no passado distante. Para seu trabalho, eles usaram, além do telescópio principal Blanco, dados do satélite Planck da Agência Espacial Européia.
Astrofísicos estudaram imagens de galáxias ema presença de distorções mais sutis devido à curvatura do espaço pela matéria escura – um efeito chamado lente gravitacional fraca. A força da gravidade determina o tamanho e a distribuição das estruturas de matéria escura, e o tamanho e a distribuição, por sua vez, determinam o quão curvas essas galáxias nos parecem.
Medindo todos esses parâmetros, é possível determinar a forçagravidade em galáxias distantes. E como a luz deles leva milhões e bilhões de anos para chegar até nós, em essência, os cientistas estão investigando como a gravidade se comportou no passado.
Os pesquisadores relataram que já estudaramforças gravitacionais e formas em mais de 100 milhões de galáxias, mas em todos os experimentos, as observações são totalmente consistentes com a teoria de Einstein. Assim, a natureza da energia escura permanece um mistério.
As lentes gravitacionais, como o que é visto na primeira imagem de James Webb, estão ajudando os cientistas a explorar a matéria escura e a gravidade em sistemas distantes. Imagem: NASA, ESA, CSA, STScI
O que vem a seguir?
A teoria de Einstein ainda permanece, mas os pesquisadorescontinuar a testar a sua força. Uma nova tentativa de explicar a natureza da energia escura será feita através de missões de satélite. A Agência Espacial Europeia planeja lançar o telescópio espacial Euclides em 2023. Os instrumentos do dispositivo medirão os redshifts de galáxias localizadas a diferentes distâncias da Terra e explorarão a relação entre redshift e distância.
Os desenvolvedores esperam que o Euclid seja capaz deolhar para trás 8 bilhões de anos. Com a ajuda de medições ultraprecisas, ele poderá descobrir como eram as coisas com gravidade, matéria escura e energia escura nesta época.
A NASA está planejando uma missão semelhante:em 2027, planeja lançar o telescópio espacial Nancy Grace Roman na órbita da Terra. Os pesquisadores acreditam que ele será capaz de estudar galáxias localizadas a uma distância de 11 bilhões de anos-luz e estudar o universo mais antigo.
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Capa: Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons